Riciclaggio delle batterie
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Riciclaggio delle batterie al piombo

Un paradigma per il riciclaggio delle batterie in un'economia circolare

Il riciclaggio delle batterie, in particolare quelle al piombo, è un modello per l’industria dell’immagazzinamento dell’energia. Siamo tutti consapevoli del concetto e del beneficio di un’economia circolare. La parte più critica di questo è avere non solo processi di riciclaggio per i beni usati, ma anche un’infrastruttura stabilita e sicura per la raccolta e il trasporto dei materiali di scarto. Con il fiorente uso di batterie per molte applicazioni commerciali e industriali, in particolare veicoli elettrici e sistemi di stoccaggio dell’energia, c’è una crescente preoccupazione per l’approvvigionamento delle materie prime delle batterie e la riciclabilità di tali batterie. È abbastanza ovvio che la loro riciclabilità e la disponibilità di materie prime per la loro fabbricazione sono inestricabilmente legate.

Le batterie al piombo sono la merce più riciclata del pianeta!

Ci sono diverse tecnologie di stoccaggio elettrochimico che attualmente rappresentano la maggior parte dei produttori e degli utenti di batterie nel mondo attuale.
Figura 1. La proporzione di diversi tipi di chimica delle batterie venduti in tutto il mondo in funzione del MWh
Fig. 1 mostra la divisione approssimativa per le vendite globali in MWh dei diversi tipi di batterie prodotte annualmente. Chiaramente acido di piombo e batteria agli ioni di litio sono due tecnologie che dominano gli attuali mercati delle batterie. Altrettanto chiaro, è il tasso di crescita molto rapido delle batterie agli ioni di litio, e ci sono preoccupazioni su questo tasso di crescita. Uno è la mancanza di un processo di riciclaggio commerciale per le batterie al litio che può portare a problemi di smaltimento a fine vita.

L’altro è che ci possono essere materiali insufficienti per produrre batterie per la crescente domanda. Le due cose sono inestricabilmente legate e in questo blog, vedremo come la chimica degli acidi al piombo potrebbe essere un modello per il riciclaggio delle batterie di tutti i tipi di sistemi di stoccaggio elettrochimico.
Una delle virtù che distinguono la chimica degli acidi al piombo è la sua età. Per questo abbiamo sviluppato dei metodi per riciclare e riutilizzare tutti i materiali di costruzione, al punto che possiamo vantare un tasso di recupero quasi del 100% della batteria completa.

Come funziona il riciclaggio delle batterie?

Questa impressionante statistica non è solo una funzione dei metodi meccanici e chimici utilizzati per la rottura, la classificazione e la raffinazione dei materiali, ma anche di avere una rete di raccolta e distribuzione. Il processo di fusione e raffinazione del piombo è noto all’uomo da diverse migliaia di anni. Tuttavia, gli stessi attributi del piombo che favoriscono il riciclaggio delle batterie, cioè il basso punto di fusione e la mancanza di reattività, sono quelli che riducono la sua attività elettrochimica e quindi la sua densità energetica. Questa riciclabilità è un fattore importante nell’accettazione del piombo come materiale di costruzione delle batterie, nonostante la sua nota tossicità. È la tossicità che è attualmente preoccupante, sia per i produttori di batterie che per i riciclatori di batterie.

Per questo motivo, si stanno sviluppando metodi alternativi alle tradizionali tecniche pirometallurgiche inquinanti. Questi metodi si basano sulla dissoluzione del materiale attivo della batteria in solventi, per poi estrarre il piombo in una varietà di forme chimiche. Discuteremo i pro e i contro di entrambi gli approcci nel prossimo blog e daremo un parere sui loro meriti relativi. Ma per questo caso, ci concentriamo sulla tecnologia al piombo-acido e sulle infrastrutture e i metodi di riciclaggio attualmente in uso. A questo punto, sarebbe utile coprire brevemente i principi generali del riciclaggio al fine di apprezzare gli ostacoli che devono essere superati per riciclare efficacemente e commercialmente tutti i tipi di batterie.

Una definizione generale di riciclaggio sarebbe:

  • “L’azione o il processo di conversione dei rifiuti in materiali utilizzabili”.
  • Questa definizione può essere ulteriormente raffinata e suddivisa in due flussi: riciclaggio a circuito aperto e a circuito chiuso.
Fig 1 Worldwide battery market
Figura 1. Dimensioni del mercato mondiale delle batterie
Fig 3. Circular economy recycling credentials of lead acid batteries
Figura 2. Credenziali di riciclaggio dell'economia circolare delle batterie piombo-acido

Riciclaggio a ciclo aperto e a ciclo chiuso

Fig. 2 dà i principi generali di entrambi i tipi. Il ciclo chiuso significa che i materiali recuperati vengono riutilizzati nel loro scopo originale, come le bottiglie di vetro di scarto che vengono riciclate in altre bottiglie di vetro. Il riciclaggio a circuito aperto è la riorganizzazione dei materiali recuperati in un uso diverso e probabilmente unico prima di finire come rifiuti inutilizzabili. Un esempio potrebbe essere l’incenerimento dei rifiuti domestici per fornire un riscaldamento locale a un centro commerciale. I sottoprodotti, in gran parte gas come NOx, SOx e CO2, sarebbero considerati inquinanti. Qualsiasi sottoprodotto solido sarebbe anche un rifiuto inutilizzabile, che finirebbe in una discarica.

Il riciclaggio delle batterie è redditizio?

Mentre le definizioni di riciclaggio date sopra vanno bene per la discussione, avremmo bisogno di aggiungere una parola: “economicamente” tra la conversione e i rifiuti, per avere un processo finanziariamente sostenibile. Questo è importante. Senza questo fattore chiave, nessuna azienda si accollerebbe i processi laboriosi e costosi necessari per raccogliere e trasportare i rifiuti, così come i costi e le spese di estrazione e recupero dei materiali necessari. Come principio generale, ci sono pochi dubbi sul fatto che sia tecnicamente possibile recuperare e riciclare quasi tutto da ogni componente fabbricato sulla Terra. La tecnologia e il know-how esistono. Il problema è: quanto costa?

Con questi principi in mente, possiamo esaminare specificamente il riciclaggio delle batterie. Fig. 3, è un diagramma schematico che illustra la pratica di riciclaggio circolare e ufficiale per le batterie al piombo-acido.

Fig 3a. Circular economy recycling credentials of lead acid batteries
Figura 3. Credenziali di riciclaggio dell'economia circolare delle batterie al piombo
Fig 4. Recycling efficiency for lead acid batteries in European Nations
Figura 4. Efficienza del riciclaggio delle batterie al piombo nelle nazioni europee

Cosa succede quando si riciclano le batterie?

Da questo, è evidente che c’è un percorso ben stabilito e informato dalla produzione allo smaltimento e al recupero delle batterie. Ci sono punti di raccolta in cui il rivenditore originale o i punti di riciclaggio delle batterie privati e pubblici hanno usato le batterie restituite dal consumatore con lo scopo specifico di riciclare le batterie in batterie nuove. Una cosa da notare è che il trasporto delle batterie usate richiede un adeguato contenimento a causa della loro natura pericolosa. Queste procedure e pratiche di lavoro si riferiscono alle organizzazioni ufficiali di riciclaggio delle batterie che consistono in società di raccolta e consegna, organizzazioni di vendita al dettaglio, fonditori e raffinatori di piombo (spesso chiamati riciclatori), che sono tenuti insieme dal collante della legislazione e della regolamentazione per la raccolta, lo stoccaggio e il trasporto di materiali pericolosi.

Come funziona il riciclaggio delle batterie?

Tuttavia, come è ampiamente riconosciuto, c’è anche il settore informale che fa il riciclaggio delle batterie al di fuori dei costosi vincoli legali dei percorsi ufficiali.

Mentre questa situazione è nota in paesi come l’Africa, l’India e il Sud America, si ritiene che le nazioni più industrialmente sviluppate, come l’Europa, non ricorrano a elementi informali in questo processo a circuito chiuso. Se è così, dovremmo avere un’efficienza di riciclaggio delle batterie vicina al 100% nei paesi europei.

Perché è importante riciclare le batterie?

Purtroppo non è così, e la Fig. 4 mostra lo stato del riciclaggio delle batterie per la maggior parte dell’Europa. Qui possiamo vedere che solo 8 paesi su 30 hanno raggiunto un’efficienza di riciclaggio delle batterie superiore al 90% nel 2018, con solo 4 paesi che hanno raggiunto o sono vicini a raggiungere un tasso di recupero e riciclaggio delle batterie del 100%. Tuttavia, ci sono molti fattori dietro queste statistiche, compresi i criteri di segnalazione e l’obiettivo mobile di far corrispondere i livelli di vendita annuali attuali, con la durata delle batterie e la quantità di rottami disponibili dalle vendite degli anni precedenti. Il movimento e la distribuzione di rottami di batterie in Europa può talvolta, nonostante la legislazione, avvenire ancora attraverso mezzi informali e, mi dispiace dirlo, illegali.

Perché ricicliamo le batterie?

Questo è particolarmente vero quando la domanda è alta e l’offerta è corta.
Questo porta al prossimo punto, che è la confusione sulla statistica spesso citata, che le batterie al piombo-acido sono quasi al 100% riciclate. Questo è vero quando si parla della quantità di recupero dei materiali delle batterie dal processo, non della quantità totale di batterie riciclate. Questo significa che quasi tutta la plastica, il piombo e l’acido della batteria finiscono come materia prima per altre batterie. In alcuni casi, può includere materie prime per altri materiali, come l’acido solforico usato per fare fertilizzanti.

In ogni caso, non è tecnicamente possibile recuperare il 100% di qualcosa, poiché alcune perdite si verificheranno inevitabilmente, anche se piccole perdite inferiori all’1%. Il dirottamento dell’acido solforico verso altri usi, come menzionato, significa anche che le procedure di recupero non soddisfano completamente il modello circolare che è felicemente ritratto nei siti web delle organizzazioni di piombo e delle aziende di riciclaggio delle batterie. Bisogna anche aggiungere le inevitabili emissioni tossiche e i rifiuti (scorie) che possono essere generati dai metodi pirometallurgici di riciclaggio delle batterie al piombo.

Per capire i tassi di riciclaggio delle batterie, le perdite nei processi e i rifiuti generati, dobbiamo esaminare sia i materiali di una batteria al piombo, sia la chimica e il principio di ingegneria dei processi di recupero. Fig. 5 è un diagramma schematico del processo di recupero utilizzato nel riciclaggio delle batterie al piombo.

Cos'è l'impianto di riciclaggio delle batterie?

Fig 5. Processing route for collected lead acid battery scrap
Figura 5. Percorso di lavorazione dei rottami di batterie al piombo raccolti
Fig 6. Lead acid battery scrap starting to be processed at a battery recycling plant
Figura 6. Rottami di batterie al piombo iniziano ad essere trattati in un impianto di riciclaggio di batterie

Processo di riciclaggio delle batterie

In questo caso, si tratta degli attuali metodi pirometallurgici, che finora sono gli unici processi disponibili in commercio. Il diagramma mostra 4 fasi fondamentali dopo la raccolta e la consegna al sito di riciclaggio delle batterie. Questi sono:

  • Rottura della batteria e segregazione. Il rottame di batteria viene messo in un mulino a martelli per essere frantumato, poi separato in pasta base di piombo, granuli di griglia metallica, pezzi di plastica e componenti acidi, Fig. 6.
  • Desolforazione. La pasta o il materiale attivo piomboso viene trattato con soda per rimuovere lo zolfo.
  • Forno per la fusione (altoforno o riverbero). La pasta desolfatata viene poi fusa in un altoforno o in un forno a riverbero per ridurre i composti di piombo in lingotti di piombo tenero o duro, a seconda della composizione del rottame e del prodotto finale previsto, Fig. 7.
Fig 7. Reverberatory furnace used for lead acid battery active material recycling
Figura 7. Forno a riverbero utilizzato per il riciclaggio del materiale attivo delle batterie al piombo
Fig 8. Schematic comparing two dissolution routes to lead acid battery active material recycling
Figura 8. Schema che confronta due percorsi di dissoluzione per il riciclaggio del materiale attivo delle batterie al piombo

Riciclaggio dei rifiuti della batteria

  • Raffinazione del lingotto di piombo. Il metodo più comune è la calcinazione per produrre piombo morbido (puro) o duro (lega).
    Questo diagramma solleva alcuni punti interessanti. Insieme ai componenti riciclati come prodotti, c’è anche il problema delle emissioni nelle varie fasi del processo.

Si tratta generalmente di emissioni atmosferiche e di effluenti di gas (COx, SOx, NOx), polveri contenenti piombo e acque di scarico contenenti contaminanti come zolfo e piombo. Queste emissioni sono regolate da norme nazionali e locali in ogni paese in cui si pratica il riciclaggio del piombo. I livelli moderni sono molto piccoli e la contaminazione di aria, terra e acqua sono generalmente un problema del passato nel settore formale regolamentato. Tuttavia, questo non è vero per il settore informale che, secondo l’OMS, è stato, ed è tuttora, responsabile di una significativa contaminazione dei terreni e dell’aumento dei livelli di piombo nel sangue in alcune città e villaggi.

Un altro sviluppo nel processo pirometallurgico è il recupero di contaminanti metallici dalle scorie che possono rendere questa frazione di rifiuti adatta a progetti di riempimento di terreni o strade.
Due esempi di questi processi di dissoluzione sono le tecnologie brevettate di Aurelius e Citrecycle. Entrambe queste aziende hanno un processo che utilizza l’acido citrico come solvente per dissolvere la pasta di piombo prima di recuperare una varietà di composti di piombo per un ulteriore trattamento.

Il diagramma di flusso Fig8 che confronta entrambi questi processi. Dal diagramma, si può vedere che il rottame di batteria è ancora rotto e segregato come con il metodo convenzionale, ma manca il processo di fusione e desolforazione. C’è un prodotto vendibile, il citrato di piombo essiccato che può essere venduto al settore formale per un’ulteriore lavorazione in condizioni controllate e regolamentate. È stato proposto che questo tipo di processo potrebbe essere adottato in forma modulare, sotto il controllo delle autorità locali, dall’attuale settore del riciclaggio informale. Avrebbe il doppio vantaggio non solo di prevenire la contaminazione da piombo e l’avvelenamento del sangue, ma anche di attirare i riciclatori informali nel controllo del settore del riciclaggio formale.

Le batterie al piombo sono la merce più riciclata del pianeta! - Fig.9

Fig 9. Status of global material recycling rates
Fig 9. Status of global material recycling rates

Il settore del riciclaggio delle batterie al piombo è in effetti un modello per un’economia circolare e potrebbe essere preso come un modello di prima fase da cui si potrebbero derivare varie iterazioni che sono adatte a diversi tipi di batterie. Tuttavia, ci sono sfide incentrate sulla tossicità del piombo e sul controllo delle emissioni e dei prodotti di scarto degli attuali metodi di riciclaggio pirometallurgico delle batterie. È necessario migliorare la gestione del settore informale che non soddisfa i requisiti legali stabiliti dai governi nazionali e locali per la raccolta, lo stoccaggio e il trattamento dei rottami di batterie. Tuttavia, nuovi processi più economici ed ecologici, progettati per affrontare i problemi di inquinamento e di sicurezza, sono vicini alla disponibilità commerciale.

Con questi metodi, che sono più sicuri e meno inquinanti, l’obiettivo di produrre quattro nove di piombo morbido dai rottami delle batterie sarà raggiungibile. L’economia e la politica globale influenzano la fornitura di materiale e di piombo utilizzati nella fabbricazione delle batterie. Il riciclaggio completo di tutti i rottami di batteria generati internamente, utilizzando metodi che producono meno CO2, rimuovono le scorie e minimizzano l’inquinamento, è la strada da seguire. Anche se la situazione attuale del riciclaggio delle batterie al piombo può essere l’esempio attuale, l’industria si sforza ancora di migliorare per rendere tutti i suoi processi più puliti, più sicuri e più rispettosi dell’ambiente.

Le nuove tecnologie che sperano di raggiungere questo obiettivo potrebbero essere un significativo passo avanti, e Microtex, come sempre, sarà in prima linea per informare accuratamente i suoi clienti e partner sugli ultimi sviluppi della tecnologia delle batterie che riguardano direttamente tutti noi.

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