Construcción de una cadena de valor de batería EV resistente

La transición a modos de transporte más limpios es de primordial importancia para enfrentar los desafíos del calentamiento global. Las capacidades tecnológicas existentes y los marcos de políticas han aumentado el énfasis, a nivel mundial, en el uso de vehículos eléctricos (EV) en el sector del transporte. La mayoría de los países han alineado sus políticas para incentivar y brindar apoyo de infraestructura para desarrollar vehículos eléctricos y mejorar la aceptación del consumidor. Si bien algunos países desarrollados han seguido un enfoque más integral al incluir las baterías al final de su vida útil (EoL) en su marco de políticas, muchos aún no han iniciado pautas claras. El reciclaje de baterías EoL beneficia al medio ambiente y a la salud humana, y la gestión no científica de las baterías EoL puede tener implicaciones peligrosas. Este resumen de políticas explora las oportunidades tecnológicas y políticas actuales y las barreras para mejorar la circularidad en los sistemas de baterías de vehículos eléctricos. El resumen recomienda desarrollar un marco global sostenible en esta dirección.

Atribución:Perminder Jit Kaur et al., "Creación de una cadena de valor de batería EV resistente", Informe de política T20, junio de 2023.

Grupo de trabajo 4: Reabastecimiento de combustible para el crecimiento: energía limpia y transiciones ecológicas

La descarbonización del sector del transporte es fundamental para cumplir con los compromisos de cambio climático. Esta tarea presenta a los países del G20 la oportunidad de emerger como una unidad estratégica colaborativa en nuevas soluciones de movilidad sostenible. La agrupación está en una posición única para desplegar vehículos eléctricos (EV) a una escala aumentada, superando los modelos de movilidad tradicionales que perpetúan la congestión, la contaminación del aire y la dependencia de las importaciones de petróleo, al tiempo que reducen los costos de las baterías a través de economías de escala incluso más rápido que la tasa en que anticipan las proyecciones actuales.[1]

Los legisladores de todo el mundo han estado impulsando el desarrollo autóctono de las celdas de litio, que se espera que aumente la demanda de materias primas. Se han firmado una serie de acuerdos y tratados en los últimos cuatro años para el suministro de materias primas como tierras raras y otros minerales críticos necesarios para la fabricación de componentes de celdas de batería. Los países individuales tienen pequeñas reservas de minerales críticos esenciales para las baterías de iones de litio (Li-ion). Muchos países no tienen reservas de algunos componentes esenciales de iones de litio, incluidos el litio, el cobalto y el níquel, ni del cobre utilizado en conductores, cables y barras colectoras. China es el líder mundial en la fabricación de componentes de celdas para baterías de iones de litio (LiB), con una participación global de alrededor del 51 por ciento.[2]

En las baterías de iones de litio, los materiales del cátodo varían, pero las formulaciones estándar incluyen minerales como litio, aluminio, cobalto, manganeso y níquel, mientras que el ánodo está hecho de grafito. Reciclar baterías puede generar que aproximadamente el 95 por ciento de estos metales se reutilicen en la fabricación de baterías nuevas. En este sentido, una cadena de valor sostenible y resiliente exige abordar desafíos clave como la disponibilidad limitada de recursos, las implicaciones ambientales de la minería extensiva de fuentes primarias, las baterías no utilizadas que terminan en vertederos y los riesgos geopolíticos que implican la dependencia de la importación de estos componentes críticos en medio de las fluctuaciones de precios en el mercado mundial debido a irregularidades en la cadena de suministro.

Los procesos generales de la cadena de suministro de baterías para vehículos eléctricos desde la cuna hasta la tumba comprenden cuatro etapas: extracción de materias primas; la producción, que incluye la producción de celdas y baterías, y el ensamblaje de vehículos; consumo; y reciclaje, uso y disposición final.[3] La cadena de valor de las baterías para vehículos eléctricos comienza con la extracción de recursos como el litio, el níquel, el cobalto, el fósforo, el cobre y el grafito, seguida de la fabricación de celdas. Los componentes como cátodos, ánodos, electrolitos y separadores se ensamblan para fabricar celdas y baterías. El consumo de componentes de la celda conduce a una eficiencia reducida, con un alcance mayor del reciclaje y la reutilización (Figura 1).

Figura 1: Dimensiones del ciclo de vida de las baterías EV

Por lo general, las baterías se retiran del uso en vehículos eléctricos cuando el alcance y el rendimiento ya no son aceptables para el conductor. Las baterías de EV generalmente retienen 70-80 por ciento de energía válida después de completar todo su ciclo de vida y se reutilizan para aplicaciones BTM y conectadas a la red. En comparación con las de los vehículos de dos y tres ruedas, las baterías de los vehículos eléctricos en los automóviles se adaptan a más aplicaciones de reutilización debido a su capacidad. La reutilización para aplicaciones de red está en el rango de dos a cinco años. Por lo general, se supone que su rendimiento cae por debajo del 70-80 por ciento de la capacidad nominal inicial, lo que requiere estrategias de tratamiento diseñadas científicamente.[4]

Se espera que el volumen de reciclaje y reutilización de India supere los 20 GWh en 2030. Se estima que el potencial acumulativo de las baterías de iones de litio en India entre 2022 y 2030 en todos los segmentos será de alrededor de 600 GWh (caso base).[5] Se ha descubierto que los materiales de desecho de baterías existentes tienen un potencial inmenso y pueden generar un valor de alrededor de US$ 4800-5200 por tonelada.[6] Hay valores materiales asociados en las baterías desechadas, cuya recuperación salvará el medio ambiente de los desechos tóxicos y generará recursos de metales preciosos de valor económico significativo. Se proyecta que el volumen de reciclaje del despliegue de estas baterías alcance los 128 GWh para 2030, de los cuales casi 59 GWh serán del segmento EV. La industria del reciclaje por sí sola podría generar un fondo de ganancias de 6 000 millones de USD para 2040. Los ingresos podrían superar los 40 000 millones de USD, un aumento del triple con respecto a los valores de 2030.[7]

Las políticas de reciclaje de baterías para vehículos eléctricos están evolucionando; en la actualidad, están restringidos a unos pocos países como China, la Unión Europea, Corea del Sur e India. Estas políticas han establecido objetivos y obligaciones de recolección de baterías, objetivos de recuperación de materiales y contenido reciclado mínimo obligatorio en baterías nuevas. La Tabla 1 ofrece una descripción general de las políticas de reciclaje de baterías para vehículos eléctricos.

Tabla 1: Políticas con enfoque en el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos

Características clave

– Garantice una manipulación segura de la batería o de la batería de desecho, de forma que no se dañe la salud humana ni el medio ambiente.

– Los certificados EPR adquiridos por el productor se ajustarán automáticamente contra su responsabilidad.

– Recolección y reciclaje obligatorio de baterías por parte del fabricante o importador que coloca las baterías por primera vez en el mercado del Reino Unido.

– Los fabricantes de vehículos de dos ruedas deben recolectar obligatoriamente el 70 por ciento de sus baterías vendidas en el mercado en 2022-23 con un plazo de cumplimiento de 7 años a partir de 2026-27.

– La responsabilidad extendida del productor requiere que las empresas automotrices se aseguren de que las baterías retiradas se recolecten y reutilicen, reutilicen o reciclen.

– Los objetivos de recolección se establecen en 45 por ciento para 2023, 63 por ciento para 2027 y 73 por ciento para 2030 para baterías portátiles, y en 51 por ciento para 2028 y 61 por ciento para 2031 para baterías LMT (Medios de transporte livianos).

– El uso de etiquetado para aclarar las características de la batería, el pasaporte de la batería, obtener información detallada sobre la cadena de suministro del material, el uso de la batería y el estado de salud.

– También establece un contenido mínimo obligatorio de reciclado en las pilas nuevas.

Entre los recicladores mundiales de renombre se encuentran Umicore (Bélgica), Accurec (Alemania), SungEel (Corea del Sur), Kyoei Seiko (Japón) y Brunp (China), entre otros.[12]

El acondicionamiento de la batería se realiza para que se descargue eléctricamente por completo, ya sea mediante alta conductividad iónica o reciclaje de baterías, lo que requiere pretratamientos mecánicos en los que se desmontan los diferentes componentes de la batería, como el ensamblaje, la unidad de control de la batería y la pila, y sus componentes significativos. partes constituyentes están separadas físicamente. Además, para recuperar metales preciosos de desechos electrónicos y baterías, las técnicas pirometalúrgicas implican calentar los desechos a altas temperaturas de 1200 ℃.

Las tecnologías de reciclaje de baterías disponibles comercialmente son caras y deben ser más respetuosas con el medio ambiente. Las tecnologías nuevas y emergentes son incipientes y necesitan apoyo para ampliar las investigaciones. También hay estudios limitados sobre la optimización de recursos durante la fabricación de baterías.

La tecnología pirometalúrgica que emplea el calentamiento a alta temperatura del material de desecho es la técnica de tratamiento de baterías más utilizada y puede manejar materiales limitados como el cobalto. Sin embargo, las tecnologías de reciclaje también deben pivotar a medida que las tecnologías de celdas cambian hacia un mayor contenido de níquel y un menor contenido de cobalto.

Con la infraestructura y las políticas existentes, ningún miembro de la cadena de valor de la batería puede comprender el estado actual de la eficiencia, el rendimiento ESG, el contenido del material y la etapa de reciclaje o reutilización de cualquier batería. No existen políticas adecuadas y lineamientos claros sobre el estado de la batería en toda la cadena de valor. La falta de identificadores digitales para las baterías plantea obstáculos para diseñar su capacidad de reciclaje o reutilización.

Ha habido desafíos a nivel de política global a medida que la composición y las tecnologías de las baterías evolucionan rápidamente. Se está convirtiendo en un desafío contratar pólizas que cubran todos los tipos de baterías disponibles a mediano y largo plazo. Si bien muchos gobiernos nacionales se han extendido a la recolección obligatoria, se deben incluir datos sobre las baterías exactas recolectadas, recicladas y las tecnologías adoptadas para las mismas.

Figura 2: Mapeo de la capacidad de reciclaje global por tecnología

Alternativamente, los tratamientos hidrometalúrgicos se pueden realizar lixiviando los desechos en soluciones químicas. Las soluciones se someten a técnicas de purificación para recuperar metales preciosos. Si bien los enfoques tradicionales están bien desarrollados y se utilizan en configuraciones comerciales, son costosos y no son amigables con el medio ambiente. Algunas tecnologías emergentes como la quelación y las técnicas de adsorción verde también están disponibles a escala de laboratorio o piloto y necesitan estudios de intensificación del proceso antes de su adopción comercial.[14]

En el dominio del desarrollo tecnológico para el reciclaje de baterías y la utilización de recursos, los fabricantes de baterías emplean varias técnicas de tratamiento solas o en combinación. El tratamiento mecánico, seguido de los tratamientos hidrometalúrgicos, se practica con mayor frecuencia en Canadá, China y Corea del Sur (Figura 2). El continente africano se basa en múltiples métodos, incluida una combinación de técnicas pirometalúrgicas e hidrometalúrgicas (48 %), pirometalúrgicas (38 %), mecánicas (7 %) y una variedad de técnicas mecánicas e hidrometalúrgicas (7 %). India utiliza en gran medida métodos mecánicos e hidrometalúrgicos (79 por ciento).[15]

Los países del G20 tienen una posición dominante en la adopción de vehículos eléctricos, materias primas para baterías y fabricación, y representan más del 85 % del total de vehículos eléctricos vendidos a nivel mundial en 2021 (Figura 3).[16] Los países del G20 también representan una parte significativa de las materias primas para baterías. Australia y Argentina poseen alrededor de dos tercios de las reservas mundiales de litio, mientras que Indonesia alberga el 22 por ciento de las reservas mundiales de níquel. China domina la producción mundial de celdas de batería con una participación de alrededor del 70 por ciento de la producción mundial de celdas de batería.[17]

Figura 3: Ventas de vehículos eléctricos, por país (2021)[18]

El reciclaje de baterías se encuentra en una etapa incipiente y existen brechas en cuanto a la tecnología para reducir los costos del proceso de reciclaje y mejorar la capacidad de recuperación de materiales. También existen vacíos relacionados con las políticas globales en torno al intercambio de datos de baterías. Existe la necesidad de una coordinación conjunta encabezada por las naciones del G20 para mejorar las tecnologías de reciclaje y crear marcos globales para el reciclaje de baterías para fortalecer la circularidad de la cadena de suministro de baterías y, por lo tanto, ayudar en la adopción de vehículos eléctricos.

Los vehículos eléctricos con menor huella de carbono y mayor eficiencia de conversión se han convertido en un medio inevitable para la movilidad y como una alternativa a los motores de combustión interna. El anfitrión del G20 de 2022, Indonesia, empleó más de 1400 vehículos eléctricos para transportar a los participantes del G20.[19] Indonesia es el minero de níquel más grande del mundo, un componente crucial de la batería EV. El mercado de vehículos eléctricos es incipiente en India, con solo el 0,1 por ciento de las ventas de vehículos eléctricos en 2019. El gobierno de India planea ampliar el alcance de los vehículos eléctricos con el lanzamiento del Programa Nacional de Movilidad Eléctrica, con el objetivo de lograr una participación de vehículos eléctricos del 30 por ciento para 2030.[20]

La dependencia exclusiva de las baterías de iones de litio solo agregará una grieta en la armadura. La escasez de reservas a nivel mundial significa que las interrupciones en la cadena de suministro global seguirán afectando a los países. En cuanto a las pérdidas económicas debidas a los desechos de baterías manejados de manera poco científica, junto con las pérdidas materiales económicas, varios gobiernos han iniciado políticas de gestión de desechos de baterías y han asignado a los productores de baterías la tarea de recolectar, almacenar, reciclar y reutilizar los desechos de baterías.

La Comisión Europea (CE) está trabajando en un marco a largo plazo, la Directiva Europea de Baterías, que fomenta activamente el reciclaje con un enfoque gradual para exigir umbrales mínimos de contenido reciclado en todos los productos clave. El reglamento propone estándares de contenido reciclado, una medida que requiere que un cierto porcentaje de materiales reciclados se utilicen para fabricar baterías nuevas. Estos estándares comienzan en 16 por ciento para cobalto, 6 por ciento para litio y 6 por ciento para níquel en 2030, luego aumentan a 26 por ciento, 12 por ciento y 15 por ciento, respectivamente, en 2035. La legislación apunta a recuperar 90 por ciento de cobalto, cobre, plomo y níquel, así como el 35 % del litio de las baterías para 2025. Estas cifras aumentarían al 95 % y al 70 % para 2030. La legislación sugiere un porcentaje fijo de materiales reciclados para los nuevos fabricantes de baterías. Los niveles mínimos de cobalto recuperado (16 por ciento), plomo (85 por ciento), litio (6 por ciento) y níquel (6 por ciento) de los desechos de fabricación y consumo deben reutilizarse en baterías nuevas.[21]

El gobierno del Reino Unido se ha comprometido a cumplir con la fecha límite neta cero para 2050 y planea cambiar a vehículos basados ​​en EV totales para 2040 (Departamento de Transporte, 2018). Las Regulaciones de Residuos de Baterías y Acumuladores del gobierno de 2009 (modificadas) han hecho obligatoria la recolección y el reciclaje de baterías. Las reglas también evitan que las baterías y los acumuladores sean pirolizados o depositados en vertederos.[22] S De manera similar, el Ministerio de Medio Ambiente de Corea del Sur ha establecido centros de recolección de desechos con el objetivo de prevenir la eliminación de sustancias tóxicas directamente en el medio ambiente. El Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE) también está alentando la reutilización de las baterías al final de su vida útil de los vehículos eléctricos como sistema de almacenamiento de energía (ESS).[23] También se informa que el Gobierno de Australia está trabajando en la primera Estrategia Nacional de Vehículos Eléctricos.[24]

El gobierno de la India ha formulado varias políticas, como el Plan Nacional de Misión de Movilidad Eléctrica 2020 (NEMMP 2020), cuyo objetivo es aumentar la participación de los vehículos eléctricos en todo el sector del automóvil y la tecnología de fabricación autóctona.[25] Adopción y fabricación más rápida de vehículos (híbridos y) eléctricos en India (FAME India) se lanzó en 2015 para impulsar la producción local de vehículos eléctricos en el país.[26] La industria de vehículos eléctricos también se incrementó significativamente en el presupuesto de la Unión FY24. La Ley de Gestión de Desechos de Baterías de 2022 del Ministerio de Medio Ambiente, Bosques y Cambio Climático de India es un paso hacia el manejo de baterías de desecho, donde los productores tienen la obligación de EPR para la batería y deben garantizar el reciclaje o la restauración de la misma.[27] La regulación ha establecido objetivos para los materiales recuperables a partir del peso seco de la batería en un 70 % para 2024-25 y un 90 % para 2026-27.

Además, las innovaciones en tecnologías limpias para la gestión de residuos están en marcha a nivel mundial. Sin embargo, las barreras específicas en la transición necesitan la atención de los países del G20.

Dado que la cadena de valor de los vehículos eléctricos es compleja, el papel de la cooperación y colaboración internacional se vuelve fundamental en el desarrollo sostenible del sector. Dado que el desarrollo de baterías para vehículos eléctricos, la evaluación de la cadena de valor y la gestión de desechos de baterías es multidisciplinario e involucra una amplia área de investigación, ningún país puede lograr una cadena de suministro de vehículos eléctricos sostenible por sí solo en un período breve. Existe la necesidad de cooperación técnica para la ampliación de estas tecnologías emergentes, el desarrollo de nuevas químicas de baterías que tengan menos problemas de materias primas y el fortalecimiento de la cadena de suministro mundial de baterías para vehículos eléctricos.

La transición a EV no estará completa sin cuidar el contexto de la economía circular. La extracción y el tratamiento de los metales utilizados en los vehículos eléctricos son costosos y limitados. Las siguientes recomendaciones se pueden usar para orientar las políticas globales hacia el reciclaje de baterías en EoL y cumplirán el doble propósito de conservación de recursos y minimización de desechos:

El apoyo oportuno, centrado y dinámico a nivel de políticas, las innovaciones tecnológicas, la infraestructura, la gobernanza y la cooperación mundial pueden fomentar el reciclaje y la reutilización de la cadena de valor de las baterías de vehículos eléctricos y generar múltiples beneficios, como la minimización de residuos, la protección del medio ambiente y la conservación de recursos. La creación de una alianza internacional de vehículos eléctricos similar a la Alianza Solar Internacional también puede ayudar a fomentar una cadena de valor de baterías de vehículos eléctricos sostenible y resistente a nivel mundial.

[1] "El uso de vehículos eléctricos en el G20 fomenta la aplicación de energía alternativa en Indonesia", consultado el 30 de enero de 2023.

[2] "Visual Capitalist Resource", consultado el 16 de febrero de 2023.

[3] Mohammad Ali Rajaeifar et al., "Desafíos y desarrollos recientes en el suministro y las cadenas de valor de las baterías de vehículos eléctricos: una perspectiva de sostenibilidad", Recursos, Conservación y Reciclaje 180 (2022): 106144

[4] "Mercado de reciclaje y reutilización de baterías de células químicas avanzadas en India", Informe de Niti Aayog, India, consultado el 10 de abril de 2023.

[5] Niti Aayog, "Mercado de reciclaje y reutilización de baterías de células de química avanzada en la India".

[6] "Capturing Battery Value-Chain Opportunity", consultado el 10 de marzo de 2023.

[7] Niti Aayog, "Mercado de reciclaje y reutilización de baterías de células de química avanzada en la India".

[8] "Reglas de gestión de residuos de baterías de la India", CPCB, consultado el 1 de abril de 2023.

[9] "Directrices de gestión de residuos del Reino Unido", consultado el 17 de enero de 2023.

[10] "Estrategia de batería de Europa", Servicios de inteligencia geopolítica, consultado el 27 de enero de 2023.

[11] "MIIT de China para promover el reciclaje de baterías EV usadas", consultado el 5 de enero de 2023.

[12] "Estudio comparativo de los procesos de reciclaje de baterías de iones de litio", consultado el 12 de enero de 2023.

[13] Niti Aayog, "Mercado de reciclaje y reutilización de baterías de células de química avanzada en la India".

[14] Garima Chauhan et al., Sustainable Metal Extraction from Waste Stream (Wiley Publishers, 2020).

[15] Niti Aayog, "Mercado de reciclaje y reutilización de baterías de células de química avanzada en la India".

[16] McKinsey, "Capturar la oportunidad de la cadena de valor de la batería".

[17] McKinsey, "Capturar la oportunidad de la cadena de valor de la batería".

[18] McKinsey, "Capturar la oportunidad de la cadena de valor de la batería".

[19] "Indonesia deloys Electric Vehicle for G20 Summit", consultado el 13 de marzo de 2023.

[20] "E-Mobility: National Mission on Transformative Mobility and Battery Storage", consultado el 5 de abril de 2023.

[21] Gobierno del Reino Unido, "Directrices de gestión de residuos del Reino Unido".

[22] Gobierno del Reino Unido, "Directrices de gestión de residuos del Reino Unido".

[23] Yong Choi y Seung-Whee Rhee, "Estado actual y perspectivas sobre el reciclaje de baterías al final de su vida útil de vehículos eléctricos en Corea (República de)", Waste Management 106 (2020): 261-270.

[24] "Primera estrategia nacional de vehículos eléctricos de Australia", consultado el 19 de abril de 2023.

[25] "Plan de la Misión Nacional de Movilidad Eléctrica", consultado el 15 de abril de 20203.

[26] "Fabricantes de vehículos eléctricos registrados bajo FAME-India Scheme fase-II", consultado el 18 de abril de 2023.

[27] CPCB, "Reglas de gestión de desechos de baterías de la India".