Zuivering van emissies afkomstig van de productie en recyclage batterijen
De overgang van fossiele brandstoffen naar groenere vormen van energie zorgt voor een enorme expansie van de productie- en recyclingcapaciteit voor lithium-ion-batterijen in Europa. De actieve koolfilters van DESOTEC bieden eenvoudige en doeltreffende oplossingen voor de behandeling van luchtemissies en afvalwater in de batterij-industrie.
De markt en zijn trends
Tegen 2040 zal de vraag naar batterijen voor elektrische voertuigen (EV's) die in Europa geproduceerd worden naar verwachting stijgen tot 1 200 GWh per jaar. De Green Deal van de Europese Commissie beschrijft batterijen als een belangrijke pijler voor klimaatneutraliteit van de EU in 2050, niet alleen voor elektrische voertuigen op batterijen, maar ook voor energieopslag uit wind-, zonne- en waterkracht voor gebruik in de Europese nationale netten. Wereldwijd werd in 2021 echter slechts 100 GWh per jaar aan batterijen geproduceerd. Vanaf 2030 zal echter een productiecapaciteit van meer dan 450 GWh per jaar nodig zijn om de EU-doelstellingen te halen.
Bovendien is men de afgelopen jaren zich meer bewust geworden van de noodzaak om gebruikte batterijen te recycleren om een toekomstige energiecrisis af te wenden. Ook de Europese Green Deal, de wet inzake de circulaire economie en de batterijrichtlijn versterken de noodzaak om snel meer recyclingcapaciteit te ontwikkelen. Uit een studie van Greenpeace van eind 2020 blijkt dat tussen 2021 en 2030 bijna 13 miljoen ton EV-batterijen het einde van hun levensduur zullen bereiken. In die tijd zal de batterijproductie 30% van de bekende kobaltreserves in de wereld verbruiken en zal ook het gebruik van lithium drastisch toenemen.
Hoewel de overgrote meerderheid van de grote batterijproductiefaciliteiten met een productie van meer dan 1 GWh per jaar (gigafabrieken) zich momenteel in Azië bevinden, is Europa bezig aan een snelle inhaalbeweging en wordt verwacht dat tegen 2030 een productie van 600 GWh zal worden bereikt. Bezorgdheid over verstoring van de supply chain en duurzaamheid zet Europese autofabrikanten er ook toe aan om batterijfabrieken en recyclingbedrijven dichter bij huis te bouwen. Begin 2022 werd aangekondigd dat tegen 2030 meer dan 40 gigafabrieken in heel Europa zouden worden geopend, terwijl meer dan 50 recyclingfaciliteiten waren gepland, eveneens in heel Europa.
Verontreinigde emissies
De productie en recycling van batterijen veroorzaken beide verontreinigde emissies die moeten worden behandeld voordat zij in het milieu mogen terechtkomen. Bij de productie van batterijen zijn de verontreinigde emissies in de lucht het grootste probleem, terwijl bij recycling zowel de luchtverontreiniging als het afvalwater een probleem kunnen vormen.
Belangrijke verontreinigende stoffen bij de productie en recycling van batterijen:
- N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) uit het coatingproces;
- Koolzuuresters zoals dimethylcarbonaat (DMC) en ethylmethylcarbonaat (EMC) als elektrolytsolvent in het vulproces van de batterijcellen.
- Waterstoffluoride (HF) wanneer de geleidende zouten bv. LiPF6 in contact komt met vocht of het bindmiddel PVDF degradeert, wat vooral voorkomt in het recyclageproces.
NMP is wegens zijn toxiciteit geclassificeerd als een zeer zorgwekkende stof (ZZS) en is daarom onderworpen aan zeer strenge emissiegrenswaarden, die vaak veel lager zijn dan de standaard VOC-grenswaarden. Om deze emissies aan te pakken, moeten bedrijven ofwel een efficiënte zuiveringsinstallatie installeren, ofwel overschakelen op alternatieve moleculen. Vandaag is NMP het coatingsolvent bij uitstek wegens zijn bewezen werking. Alternatieve oplosmiddelen voor het coatingproces, zoals triethylfosfaat (TEP) of ethylacetoacetaat (EAA), zijn wellicht minder schadelijk, hoewel hun werking op grote schaal nog niet is bewezen. Hoewel deze componenten niet aan zo’n strenge emissiegrenswaarden zijn onderworpen als NMP, is verwijdering nog steeds belangrijk voor duurzaamheidsredenen.
DMC en EMC zijn minder gevaarlijk, maar zeer vluchtig en lichtgevoelig. Net als de emissies van het coatingproces moeten ze worden verwijderd. HF is corrosief en giftig en moet daarom worden gezuiverd.
Relevante BREF's met betrekking tot recycling van batterijen
Voor de recycling van batterijen bestaat geen BREF-document (Best Available Technology REFerence). Daarom kan de BREF Afvalverwerking (categorie 16 - niet elders genoemd afval) worden beschouwd als de relevante bron voor de best beschikbare technologieën - geassocieerde emissieniveaus (BBT-AEL) voor emissiebeperking [5,6]. Naast de algemene conclusies over emissieminimalisatie (BBT 1-25), kunnen ook de BBT van verschillende afvalbehandelingscategorieën in aanmerking worden genomen, zoals die voor:
- Mechanische behandeling in shredders van metaalafval (BBT 26-28)
- Behandeling van afgedankte elektrische en elektronische apparatuur (AEEA) die VFC's en/of VHC's bevatten (BBT 29-30)
- Fysico-chemische behandeling van vaste afvalstoffen en/of slib (BBT 40-41)
- Thermische behandeling van verzadigde actieve kool, afvalkatalysatoren en afgegraven verontreinigde grond (BBT 48-49).
BBT-AEL-concentraties zijn de waarden die gewoonlijk in de nationale wetgeving wordt overgenomen en opgenomen in de emissie-eisen voor het verlenen van een vergunning. Tabel 1 illustreert dat adsorptie van verontreinigende stoffen op granulaire actieve kool wordt beschouwd als een van de beste beschikbare technologieën. Tevens kan worden vastgesteld dat de emissiegrenswaarden van de bovengenoemde componenten van lithiumbatterijen zeer laag zijn. In de meeste processtroomschema's wordt een combinatie van technologieën gebruikt, zoals een natte alkalische scrubber gevolgd door adsorptie met actieve kool, om deze lage niveaus te bereiken.
Luchtemissies
Productie van batterijen: Er zijn verschillende fasen in het productieproces die verontreinigde luchtemissies veroorzaken.
Deze omvatten: het ontluchten van de solventtanks (NMP, DMC/EMC), het coaten van de kathoden (NMP); het injecteren van elektrolyten in de batterij (DMC/EMC) en interne recyclage van reeds gevulde batterijen waarbij over het algemeen DMC en EMC vrijkomen.
De debieten variëren tussen de verschillende fasen, maar kunnen hoog zijn, zelfs tot 30-40 000 m³/h. De concentraties in deze luchtstromen zijn gewoonlijk laag, rond 2-30 mg/Nm³. In deze sector zijn echter emissiegrenzen van 1 mg/Nm³ NMP en 10 mg/Nm³ DMC/EMC gekend.
DESOTEC heeft filters van verschillende groottes geïnstalleerd voor enkele van de verschillende productiestappen, namelijk meerdere Aircon 2000 en 3000, twee AIRCON V-XL en Aircon V-L met Airconnect-systeem in Europese batterijproductiefaciliteiten om bovengenoemde emissies te behandelen.
Batterijrecyclage:
Ook hier kunnen in verschillende stadia emissies vrijkomen. Het shredderproces is een belangrijke bron. Hierbij worden vaste stoffen van vloeistoffen gescheiden door de batterijen tot een granulaat te vermalen en vervolgens zure gassen zoals fluorwaterstofzuur en solventen te verdampen. Vooral wanneer er vocht of zuurstof aanwezig is, worden er echter zure gassen gevormd, zoals fluorwaterstofzuur of fosforyltrifluoride, b.v. uit geleidend zout LiPF6 of polymeren zoals PVDF. De organische verbindingen zoals bindmiddel, folie en elektrolyten kunnen leiden tot een complexe uitstoot van degradatieproducten, die bijvoorbeeld etheen bevatten. Daarom worden vaak natte alkalische gaswassers gebruikt voor de verwijdering van HF. Effectieve verwijdering van de vluchtige organische stoffen kan dan worden bereikt actieve kool downstream te installeren.
Het debiet is laag, gewoonlijk rond een paar honderd m³/h; maar de VOC-concentraties zijn hoog, vaak rond 1-10 g/m³.
De verdampte elektrolyten (DMC/EMC enz.) kunnen worden gecondenseerd en opgeslagen in tanks, waaruit emissies vrijkomen via ventilatieopeningen. Het gedroogde granulaat (vaak zwarte massa genoemd) bevat metalen, waaronder aluminium, nikkel, kobalt, lithium en ook grafiet. De metalen worden uit de zwarte massa geëxtraheerd via thermische of hydrothermische processen. Bij het laatstgenoemde hydrometallurgische proces worden oplosmiddelen gebruikt, die in lucht- en wateremissies terecht kunnen komen
Terwijl de recycling tegenwoordig in de eerste plaats gericht is op de zware metalen, zijn in de EU Green Deal en de batterijrichtlijn ambitieuze recyclingdoelstellingen vastgesteld om ook lithium aan te pakken. Veel bedrijven evalueren echter ook de haalbaarheid van de terugwinning van elektrolyten en grafiet. Tijdens het metaalextractieproces kunnen ook solventen of producten voor het aanpassen van de oplosbaarheid worden gebruikt. Deze kunnen bijgevolg ook in de luchtemissies worden aangetroffen. Dit is een andere potentiële toepassing van actieve koolfiltratie.
DESOTEC kan zowel één grote filterunit leveren, als een aantal kleinere filters in serie. Dit is grotendeels afhankelijk van de wensen van de klant, waaronder de beschikbare ruimte op de site.
Afvalwater
Verontreiniging van het afvalwater kan plaatsvinden tijdens het wassen en spoelen van onderdelen. Ook het afvloeiende regenwater kan verontreiniging opnemen. Omdat batterijen zo energierijk zijn, is brand mogelijk en daarom kunnen in recyclingbedrijven koel- of bluswater in het afvoerwater terechtkomen.
Het afvalwater zal een mengsel bevatten van componenten van elektrolyten, coatings en reinigingsmiddelen, zodat de verontreiniging wordt gemeten in termen van totale chemische zuurstofvraag (COD).
Chemische producten
Bij de productie of recycling van batterijen worden organische solventen of elektrolyten die waren verdampt, terug gecondenseerd en opnieuw in de productie gebruikt. Naarmate de efficiëntie van dat proces toeneemt, zal echter minder solvent of elektrolyt moeten worden gebruikt. Dit kan leiden tot een uiteindelijke accumulatie van onzuiverheden in de gecirculeerde organische stoffen, wat op zijn beurt een negatief effect kan hebben op het product. Actieve kool staat erom bekend onzuiverheden in organische oplosmiddelen zoals aromatische of gehalogeneerde verbindingen effectief te verwijderen.
Bij de hydrometallurgische scheiding van lithium uit de zware metalen (via hydroxyl-neerslag) blijft een lithiumsulfaat bevattende pekel over met organische onzuiverheden. Deze onzuiverheden zijn afkomstig van de elektrolyten, fluor- of fosforhoudende degradatieproducten en worden gemeten als TOC, totale organische koolstof. Filtratie van die oplossing met geactiveerde kool vóór verdere verwerking is veelbelovend gebleken.
Voordelen van DESOTEC oplossingen
Batterijproductie en -recycling zijn snel veranderende en groeiende sectoren. De technologie wordt steeds beter, waardoor het zowel mogelijk wordt om ons transport te elektrificeren als om steeds grotere hoeveelheden kostbare componenten uit gebruikte batterijen terug te winnen. Kennis van de CO2-voetafdruk van producten/activiteiten en naleving binnen zogenaamde prestatiecategorieën wordt duidelijk verplicht in het wijzigingsvoorstel van de EU-batterijrichtlijn.
Bij DESOTEC ondersteunen we deze sector en leveren we al filters aan meerdere Europese batterijproductie- en recyclingfaciliteiten. Onze filters zijn ideaal voor sites die onder druk staan om zo snel, soepel en veilig mogelijk van start te gaan. Bovendien bieden wij actieve kool met een lage CO2-voetafdruk en hebben wij door reactivatie van de gebruikte actieve kool een duidelijke en rapporteerbare zichtbaarheid op de CO2-voetafdruk van uw emissiereiniging en productzuiveringsstap.
Onze filters zijn mobiel en kunnen dus zeer snel worden geïnstalleerd. Veel alternatieve technologieën, zoals regeneratieve thermische oxidatoren (RTO's), vergen maandenlange planning en engineering en kunnen vertragingen oplopen in de supply chain. De doorlooptijd voor onze filters is daarentegen meestal een paar weken, of sneller in dringende gevallen. Onze verschillende filterformaten maken een ideaal gebruik van de ruimte bij de klant mogelijk. Bovendien kunnen de schommelende aardgasprijzen een risico vormen voor de operationele kosten van thermische oxidatiesystemen.
Onze filters beginnen onmiddellijk te werken. Actieve kool is een eenvoudige technologie: als er verontreiniging aanwezig is, adsorberen de filters die. In tegenstelling tot sommige alternatieve technologieën is voor een efficiënte werking geen constante doorstroming nodig, zodat ze ideaal zijn voor nieuwe fabrieken waar de productie kan stoppen en starten. Als de fabriek eenmaal goed draait, kunnen de filters indien nodig worden geoptimaliseerd.
DESOTEC zorgt voor al het afval, zodat bedrijven zich kunnen concentreren op de productie. Filtervervanging is eenvoudig en kan worden uitgevoerd zonder productieonderbreking. Onze technici vervoeren de gebruikte koolstof vervolgens in de gesloten filtereenheid van de locatie van de klant, wat zorgt voor een veilig en probleemloos proces. Het wordt gereactiveerd in onze faciliteiten in België, waardoor de kringloop wordt gesloten en duurzaamheid wordt bevorderd. DESOTEC heeft kennis van de CO2-voetafdruk van alle producten. Hierdoor bent u met onze mobiele filters klaar voor de EU-eis van 2024 om de CO2-voetafdruk te rapporteren.
-
Waarom is zuivering nodig?
We hebben allemaal schone lucht en schoon water nodig, evenals een bloeiende economie. Met de duurzame mobiele filtratie-oplossingen van Desotec kan jouw bedrijf zijn bedrijfs- en duurzaamheidsdoelstellingen halen. -
Onze unieke dienstverlening
Ons closed-loop, full-service model is net zo uniek als uw zakelijke behoeften. We definiëren de juiste filtratie-opstelling en recyclen filtratie-afval veilig, waardoor het gemakkelijk wordt om groen te worden. -
Jouw duurzaamheidstraject
Net als jij vinden wij het belangrijk om onze lucht, ons water en onze bodem te beschermen voor toekomstige generaties. Onze filtratie-oplossingen helpen je om aan de milieunormen te voldoen en jouw ecologische voetafdruk te verkleinen.