Reciclaje de baterías de plomo
Un paradigma para el reciclaje de baterías en una economía circular
El reciclaje de baterías, en particular las de plomo-ácido, es un modelo para la industria del almacenamiento de energía. Todos conocemos el concepto y las ventajas de la economía circular. La parte más crítica de esto es tener no sólo procesos de reciclaje de bienes usados, sino también una infraestructura establecida y segura para la recogida y el transporte de los materiales de desecho. Con el creciente uso de baterías para muchas aplicaciones comerciales e industriales, en particular los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía, hay una creciente preocupación por el abastecimiento de materias primas para las baterías y la reciclabilidad de las mismas. Es bastante obvio que su reciclabilidad y la disponibilidad de materias primas para su fabricación están inextricablemente ligadas.
Las baterías de plomo son el producto más reciclado del planeta.
Existen varias tecnologías de almacenamiento electroquímico que actualmente representan la mayor parte de los fabricantes y usuarios de baterías en el mundo.
Figura 1. La proporción de diferentes químicas de baterías vendidas en todo el mundo en función de los MWh
Fig. 1 muestra el reparto aproximado por ventas globales de MWh de los diferentes tipos de baterías producidas anualmente. Está claro que las baterías de plomo-ácido y las de iones de litio son dos tecnologías que dominan los mercados actuales de baterías. También está claro que el ritmo de crecimiento de las baterías de iones de litio es muy rápido y que este ritmo de crecimiento es preocupante. Uno de ellos es la falta de un proceso de reciclaje comercial para las baterías de litio, que puede dar lugar a problemas de eliminación al final de la vida útil.
La otra es que puede que no haya suficientes materiales para fabricar baterías para la creciente demanda. Ambas cosas están inextricablemente unidas y en este blog veremos cómo la química del plomo-ácido podría ser un modelo para el reciclaje de baterías de todo tipo de sistemas de almacenamiento electroquímico.
Una de las virtudes que distinguen a la química del plomo-ácido, es su antigüedad. Por ello, hemos desarrollado métodos para reciclar y reutilizar todos los materiales de construcción, hasta el punto de que podemos afirmar que se recupera casi el 100% de la batería completa.
¿Cómo funciona el reciclaje de pilas?
Esta impresionante estadística no es sólo función de los métodos mecánicos y químicos utilizados para romper, clasificar y refinar los materiales, sino que también se trata de disponer de una red de recogida y distribución. El proceso de fundición y refinado del plomo es conocido por el ser humano desde hace varios miles de años. Sin embargo, los mismos atributos del plomo que favorecen el reciclaje de las baterías, es decir, su bajo punto de fusión y su falta de reactividad, son los que reducen su actividad electroquímica y, por tanto, su densidad energética. Esta capacidad de reciclaje es un factor importante para la aceptación del plomo como material de construcción de las baterías, a pesar de su conocida toxicidad. Es la toxicidad lo que actualmente preocupa, tanto a los fabricantes de baterías como a los recicladores de las mismas.
Por este motivo, se están desarrollando métodos alternativos a las tradicionales técnicas pirometalúrgicas contaminantes. Estos métodos se basan en la disolución del material activo de la batería en disolventes, para luego extraer el plomo en una variedad de formas químicas. En el próximo blog analizaremos los pros y los contras de ambos enfoques y daremos una opinión sobre sus méritos relativos. Pero en este caso, nos centramos en la tecnología de plomo-ácido y en la infraestructura y los métodos de reciclaje que se utilizan actualmente. Llegados a este punto, sería útil cubrir brevemente los principios generales del reciclaje para apreciar los obstáculos que hay que superar para reciclar de forma efectiva y comercial todos los tipos de pilas.
Una definición general de reciclaje sería:
- «Acción o proceso de convertir los residuos en materiales utilizables».
- Esta definición puede refinarse aún más y dividirse en dos corrientes: el reciclaje de circuito abierto y el de circuito cerrado.
Reciclaje de bucle abierto y reciclaje de bucle cerrado
Fig. 2 se indican los principios generales de ambos tipos. El circuito cerrado significa que los materiales recuperados se reutilizan en su propósito original, como las botellas de vidrio de desecho que se reciclan en más botellas de vidrio. El reciclaje de ciclo abierto es la reutilización de los materiales recuperados para un uso diferente, y probablemente único, antes de acabar como residuo inutilizable. Un ejemplo de ello sería la incineración de residuos domésticos para proporcionar calefacción local a un centro comercial. Los subproductos, en su mayoría gases como NOx, SOx y CO2, se considerarían contaminantes. Cualquier subproducto sólido también sería un residuo inutilizable, que acabaría en un vertedero.
¿Es rentable el reciclaje de pilas?
Aunque las definiciones de reciclaje que se han dado anteriormente están bien para el debate, habría que añadir una palabra: «económicamente» entre la conversión y los residuos, para que el proceso sea económicamente viable. Esto es importante. Sin este factor clave, ninguna empresa asumiría los laboriosos y costosos procesos necesarios para recoger y transportar los residuos, así como el coste y los gastos de extracción y recuperación de los materiales necesarios. Como principio general, hay pocas dudas de que es técnicamente posible recuperar y reciclar casi cualquier cosa de todos los componentes fabricados en la Tierra. La tecnología y los conocimientos técnicos existen. El problema es: ¿cuánto cuesta?
Teniendo en cuenta estos principios, podemos analizar específicamente el reciclaje de pilas. Fig. 3, es un diagrama esquemático, que ilustra la práctica circular y oficial de reciclaje de las baterías de plomo-ácido.
¿Qué ocurre cuando se reciclan las pilas?
De ello se desprende que existe una ruta bien establecida e informada desde la fabricación hasta la eliminación y recuperación de las pilas. Existen puntos de recogida en los que el minorista original o los puntos de reciclaje de pilas privados y públicos disponen de pilas usadas devueltas por el consumidor con el fin específico de reciclarlas y convertirlas en pilas nuevas. Una cosa que hay que tener en cuenta es que el transporte de las pilas usadas requiere una contención adecuada debido a su naturaleza peligrosa. Estos procedimientos y prácticas de trabajo se refieren a las organizaciones oficiales de reciclaje de baterías, que consisten en empresas de recogida y entrega, organizaciones de venta al por menor, fundidores y refinadores de plomo (a menudo llamados recicladores), que se mantienen unidos por el pegamento de la legislación y la regulación para la recogida, el almacenamiento y el transporte de materiales peligrosos.
¿Cómo funciona el reciclaje de pilas?
Sin embargo, como se reconoce ampliamente, también existe el sector informal que realiza el reciclaje de pilas fuera de las costosas limitaciones legales de las rutas oficiales.
Aunque se sabe que esta situación existe en países como África, India y Sudamérica, se cree que las naciones más desarrolladas industrialmente, tipificadas por Europa, no recurrirían a elementos informales dentro de este proceso de circuito cerrado. Si es así, deberíamos tener una eficiencia de reciclaje de baterías cercana al 100% en los países europeos.
¿Por qué es importante reciclar las pilas?
Por desgracia, no es así, y la Fig. 4 muestra la situación del reciclaje de pilas en la mayor parte de Europa. Aquí podemos ver que solo 8 de los 30 países lograron una eficiencia de reciclaje de baterías superior al 90% en 2018, y solo 4 países alcanzaron o estuvieron cerca de alcanzar una tasa de recuperación y reciclaje de baterías del 100%. Sin embargo, hay muchos factores detrás de estas estadísticas, como los criterios de información y el objetivo móvil de hacer coincidir los niveles de ventas anuales actuales, con la vida útil de las baterías y la cantidad de chatarra disponible de las ventas de años anteriores. El movimiento y la distribución de las baterías de desecho en Europa, a veces, a pesar de la legislación, sigue produciéndose a través de medios informales y, lamentablemente, ilegales.
¿Por qué reciclamos las pilas?
Esto es especialmente cierto cuando la demanda es alta y la oferta es escasa.
Esto nos lleva al siguiente punto, que es la confusión sobre la estadística, citada a menudo, de que las baterías de plomo-ácido se reciclan casi al 100%. Esto es cierto cuando hablamos de la cantidad de recuperación de materiales de la batería del proceso, no de la cantidad total de baterías recicladas. Esto significa que casi todo el plástico, el plomo y el ácido de la batería terminan como materia prima para más baterías. En algunos casos, puede incluir materias primas para otros materiales, como el ácido sulfúrico que se utiliza para fabricar fertilizantes.
En cualquier caso, no es técnicamente posible recuperar el 100% de nada, ya que inevitablemente se producirán algunas pérdidas, aunque sean pequeñas, inferiores al 1%. El desvío del ácido sulfúrico a otros usos, como se ha mencionado, también significa que los procedimientos de recuperación no cumplen completamente con el modelo circular que se retrata alegremente en los sitios web de las organizaciones de plomo y las empresas de reciclaje de baterías. También hay que añadir las inevitables emisiones tóxicas y los residuos (escorias) que pueden generar los métodos pirometalúrgicos de reciclaje de baterías de plomo-ácido.
Para entender las tasas de reciclaje de las baterías, las pérdidas en los procesos y los residuos generados, tenemos que examinar tanto los materiales de una batería de plomo-ácido como la química y el principio de ingeniería de los procesos de recuperación. Fig. 5 es un diagrama esquemático del proceso de recuperación utilizado en el reciclaje de baterías de plomo-ácido.
¿Qué es una planta de reciclaje de baterías?
Proceso de reciclaje de baterías
En este caso, se trata de los métodos pirometalúrgicos actuales, que hasta ahora son los únicos procesos disponibles comercialmente. El diagrama muestra 4 etapas básicas después de la recogida y entrega en el centro de reciclaje de baterías. Estos son:
- Rotura y segregación de la batería. La chatarra de la batería se introduce en un molino de martillos para romperla y, a continuación, se separa en pasta básica de plomo, gránulos de rejilla metálica, trozos de plástico y componentes de ácido, Fig. 6.
- Desulfuración. La pasta o materia activa leñosa se trata con ceniza de sosa para eliminar el azufre.
- Horno de fundición (alto o reverbero). A continuación, la pasta desulfurada se funde en un alto horno o en un horno de reverbero para reducir los compuestos de plomo a lingotes de plomo blando o duro, dependiendo de la composición de la chatarra y del producto final previsto, Fig. 7.
Reciclaje de residuos de baterías
- Refinar el lingote de plomo. El método más común es la calcinación para producir plomo blando (puro) o duro (aleado).
Este diagrama arroja algunos puntos interesantes. Además de los componentes reciclados como productos, también existe el problema de las emisiones en las distintas fases del proceso.
Por lo general, se trata de emisiones atmosféricas y de efluentes de gases (COx, SOx, NOx), polvo con plomo y aguas residuales que contienen contaminantes como el azufre y el plomo. Estas emisiones se rigen por normas nacionales y locales en todos los países donde se practica el reciclaje de plomo. Los niveles modernos son muy pequeños y la contaminación del aire, la tierra y el agua son, en general, un problema del pasado en el sector formal regulado. Sin embargo, esto no ocurre con el sector informal que, según la OMS, ha sido y es responsable de una importante contaminación del suelo y de la elevación de los niveles de plomo en sangre en algunas ciudades y pueblos.
Otro avance en el proceso pirometalúrgico es la recuperación de los contaminantes metálicos de las escorias residuales, lo que puede hacer que esta fracción de residuos sea apta para proyectos de relleno de terrenos o carreteras.
Dos ejemplos de estos procesos de disolución son las tecnologías patentadas de Aurelius y Citrecycle. Ambas empresas tienen un proceso que utiliza el ácido cítrico como disolvente para disolver la pasta de plomo antes de recuperar una variedad de compuestos de plomo para su posterior tratamiento.
El diagrama de flujo Fig8 que compara ambos procesos. En el diagrama se puede ver que la chatarra de la batería se sigue rompiendo y separando como en el método convencional, pero falta el proceso de fundición y desulfuración. Existe un producto vendible, el citrato de plomo seco, que puede venderse al sector formal para su posterior procesamiento en condiciones controladas y reguladas. Se ha propuesto que este tipo de proceso podría ser adoptado de forma modular, bajo el control de las autoridades locales, por el actual sector del reciclaje informal. Tendría el doble beneficio no sólo de prevenir la contaminación por plomo y el envenenamiento de la sangre, sino también de atraer a los recicladores informales hacia el control del sector de reciclaje formal.
Las baterías de plomo son el producto más reciclado del planeta. - Figura 9
El sector del reciclaje de baterías de plomo-ácido es, de hecho, un modelo de economía circular y podría tomarse como un primer modelo del que podrían derivarse varias iteraciones adecuadas para diferentes químicas de baterías. Sin embargo, existen desafíos centrados en la toxicidad del plomo y en el control de las emisiones y los productos de desecho de los métodos actuales de reciclaje de baterías pirometalúrgicas. Es necesario mejorar la gestión del sector informal que no cumple los requisitos legales establecidos por los gobiernos nacionales y locales a la hora de recoger, almacenar y procesar las baterías de desecho. Sin embargo, los nuevos procesos, más baratos y respetuosos con el medio ambiente, diseñados para resolver los problemas de contaminación y seguridad, están a punto de estar disponibles en el mercado.
Con estos métodos, más seguros y menos contaminantes, se podrá alcanzar el objetivo de producir plomo blando de cuatro nueves a partir de la chatarra de las baterías. La economía y la política mundiales afectan al suministro de material y plomo utilizado en la fabricación de baterías. El reciclaje completo de toda la chatarra de las baterías generada internamente, utilizando métodos que producen menos CO2, eliminan la escoria y minimizan la contaminación, es el camino a seguir. Aunque la situación actual del reciclaje de baterías de plomo-ácido puede ser el ejemplo actual, la industria sigue esforzándose por mejorar para que todos sus procesos sean más limpios, seguros y respetuosos con el medio ambiente.
Las nuevas tecnologías que esperan alcanzar este objetivo podrían suponer un importante paso adelante, y Microtex, como siempre, estará a la vanguardia para informar con precisión a sus clientes y socios de los últimos avances tecnológicos en materia de baterías que nos afectan directamente a todos.
