Pin - Mắt xích yếu trong nền kinh tế tuần hoàn?

Pin đặt ra nhiều thách thức cho tính bền vững. Tuy nhiên, có nhiều cách để đảm bảo chúng vẫn là yếu tố then chốt thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng sạch, với sự hỗ trợ của các tiêu chuẩn.

Tiếp nhiên liệu cho xe điện. Ảnh: Getty Image

Quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế carbon thấp của thế giới phụ thuộc vào pin. Từ xe điện (EV) đến hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, pin là trụ cột của các chiến lược giảm thiểu carbon. Tuy nhiên, có nhiều cuộc tranh luận cho rằng chúng cũng chính là gót chân Achilles của cuộc cách mạng năng lượng sạch. Dấu chân môi trường, tuổi thọ hạn chế và những thách thức trong việc tái chế pin làm chậm lại tính bền vững mà chúng được kỳ vọng sẽ hỗ trợ cho cuộc cách mạng giảm thiểu phát thải carbon.

Khi các chính phủ và ngành công nghiệp thúc đẩy nhiên liệu thay thế và các chiến lược hướng tới mức phát thải ròng bằng 0, và chúng ta buộc phải đối mặt với lượng rác thải điện tử ngày càng tăng, thì câu hỏi về tính bền vững của pin cần phải được đặt ra.

Tác động môi trường của việc sản xuất pin

Pin, đặc biệt là các biến thể lithium-ion, rất cần thiết cho quá trình điện khí hóa. Tuy nhiên, quá trình sản xuất chúng vẫn còn lâu mới “xanh” được. Việc khai thác lithium, coban và niken - những vật liệu chính trong các cell pin lithium-ion - đi kèm với những chi phí đáng kể về môi trường và xã hội. Khai thác lithium cần một lượng nước rất lớn. Chẳng hạn, các hoạt động ở sa mạc Atacama của Chile tiêu thụ 500.000 gallon nước cho mỗi tấn lithium được khai thác. Ở một nơi khác trên thế giới, cụ thể là Cộng hòa Dân chủ Congo, việc khai thác coban lại có liên quan đến lao động trẻ em và điều kiện làm việc nguy hiểm. Chưa dừng lại ở đó, việc khai thác niken cũng tạo ra nạn phá rừng trên quy mô lớn và chất thải độc hại.

Ngoài việc khai thác nguyên liệu thô, sản xuất pin còn tiêu tốn nhiều năng lượng. Trong khi các siêu nhà máy “gigafactory” chạy bằng năng lượng tái tạo đang nổi lên, ngành công nghiệp này vẫn phụ thuộc rất nhiều vào chuỗi cung ứng chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, ngay cả đối với sản xuất pin.

Vấn đề vòng đời: tuổi thọ ngắn, lượng rác thải cao

Mặc dù đóng vai trò quan trọng trong quá trình khử carbon, pin thường có tuổi thọ ngắn và giới hạn. Phần lớn các loại pin lithium-ion sẽ bị suy giảm hiệu suất theo thời gian, đồng nghĩa với việc pin của xe điện cần được thay thế sau một thời gian sử dụng. Tuổi thọ ngắn này đang dẫn đến một vấn đề rác thải ngày càng nghiêm trọng, với hàng triệu tấn pin đã qua sử dụng được dự báo sẽ tràn ngập thị trường vào năm 2030.

Các công nghệ pin hiện tại cũng gặp khó khăn với hiện tượng suy giảm dung lượng, khiến hiệu quả sử dụng giảm dần theo thời gian. Hạn chế này buộc các thiết bị sử dụng pin phải thường xuyên thay thế các thiết bị lưu trữ năng lượng, từ đó làm tăng chi phí và tác động tiêu cực đến môi trường.

Ngoài ra, việc tái chế pin là một quá trình phức tạp và tốn kém. Không giống như nhôm hay thủy tinh, pin lithium-ion đòi hỏi các kỹ thuật tái chế chuyên biệt để thu hồi các vật liệu quý. Tỷ lệ tái chế hiện nay vẫn còn thấp, với phần lớn pin đã qua sử dụng kết thúc vòng đời trong các bãi rác hoặc bị đốt bỏ. Thách thức nằm ở việc tách lithium, cobalt và niken ra khỏi các tế bào pin mà không tiêu tốn quá nhiều năng lượng.

Giải pháp là gì?

Bất chấp những thách thức này, pin vẫn không thể thiếu trong quá trình chuyển đổi năng lượng sạch. Có một tin tốt lành là thế giới đang nhận ra những vấn đề này và bắt đầu giải quyết chúng trực diện, với tầm nhìn dài hạn.

Theo một nghiên cứu vào năm 2023, hiện tại, khoảng hai phần ba tổng lượng khí thải toàn cầu liên quan đến sản xuất pin tập trung cao ở ba quốc gia: Trung Quốc (45%), Indonesia (13%) và Úc (9%). Nghiên cứu cho thấy rằng việc khử cacbon lưới điện trong chuỗi cung ứng sản xuất pin hiện có có thể giảm lượng khí thải từ sản xuất pin tới 38% vào năm 2050.

Sản xuất pin tại Selex Motor. Ảnh: Selex

Có rất nhiều giải pháp công nghệ cho các loại pin thay thế với các thành phần hóa học khác nhau. Một ví dụ là pin lithium sắt phosphate (LFP), loại pin dễ tái chế hơn nhiều so với pin lithium-ion và cũng có thể được sử dụng cho xe điện, mặc dù chi phí cao hơn.

Pin xe điện đã qua sử dụng còn có thể được tái sử dụng cho các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định, giúp kéo dài vòng đời của chúng sau khi không còn dùng được cho phương tiện. Các hãng ô tô đang nghiên cứu các dự án “vòng đời thứ hai” cho pin nhằm giảm lượng rác thải.

Ở quy mô lớn hơn, Liên minh Pin Toàn cầu (Global Battery Alliance - GBA) đã giới thiệu sáng kiến “Hộ chiếu pin” - một hệ thống theo dõi kỹ thuật số nhằm đảm bảo nguồn cung có trách nhiệm, minh bạch vòng đời sản phẩm và kéo dài thời gian sử dụng của pin. Các hệ thống lưu trữ năng lượng lai, kết hợp giữa pin, pin nhiên liệu hydro và lưu trữ nhiệt, đang mở ra các giải pháp năng lượng bền vững và linh hoạt hơn.

Trên toàn cầu, nhiều chiến lược khác nhau đang được nghiên cứu để duy trì pin và các nguyên liệu thô quan trọng của chúng trong quá trình “tuần hoàn” lâu hơn. Gần đây, Ủy ban châu Âu đã cập nhật danh mục chất thải, trong đó bảo vệ quyền tiếp cận với chất thải pin nghiền - còn gọi là “black mass”.

Trong một tuyên bố liên quan đến danh sách này, Jessika Roswall - Ủy viên Môi trường, Khả năng phục hồi liên quan đến Nước và Nền Kinh tế Tuần hoàn Cạnh tranh, cho biết: “Để bảo vệ môi trường tốt hơn, Ủy ban hiện sẽ phân loại khối đen từ pin là chất thải nguy hại. Việc này sẽ giúp kiểm soát tốt hơn các lô hàng black mass và đặc biệt là lệnh cấm xuất khẩu sang các nước ngoài Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD). Việc giữ black mass lưu thông lâu hơn trong nền kinh tế sẽ giúp thúc đẩy hoạt động tái chế pin và phát triển kinh tế tuần hoàn”.

Công nghệ tái chế được cải tiến

Nỗ lực tái chế pin đang có những bước tiến rõ rệt, với việc các công ty phát triển các hệ thống vòng kín nhằm thu hồi tới 95% vật liệu để tái sử dụng. Mặc dù việc triển khai trên quy mô lớn vẫn còn xa vời, nhưng tiến trình hiện tại rất đáng kỳ vọng.

Những tiến bộ trong phương pháp thủy luyện kim (hydrometallurgical) và tái chế trực tiếp có thể giúp việc tái chế pin hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn. William Tareph - Trợ lý giáo sư tại Đại học Stanford, người đang nghiên cứu về tái chế pin lithium-ion, nhấn mạnh: “Để chuẩn bị cho một tương lai với nguồn cung pin đã qua sử dụng tăng mạnh, chúng ta cần thiết kế và xây dựng ngay từ hôm nay một hệ thống tái chế - từ khâu thu gom đến xử lý - để tạo ra các pin mới với tác động môi trường tối thiểu”.

Chính phủ ở nhiều nơi cũng đang xem xét ban hành các quy định bắt buộc về tái chế pin, yêu cầu các nhà sản xuất phải chịu trách nhiệm đối với việc xử lý pin khi hết vòng đời sử dụng.

Con đường phía trước: cần một hành động cân bằng

Đổi mới công nghệ cần đi kèm với sự hỗ trợ và định hướng từ chính sách để đảm bảo quá trình khử carbon toàn cầu diễn ra hiệu quả. Một trong những hỗ trợ như vậy là các tiêu chuẩn và hệ thống đánh giá sự phù hợp của IEC (Ủy ban Kỹ thuật điện Quốc tế) nhằm đảm bảo một hạ tầng an toàn và hiệu quả - từ việc tích hợp năng lượng tái tạo một cách hiệu quả, phát triển lưới điện thông minh, đến việc mở đường cho các thiết kế điện tử thân thiện hơn với môi trường, bao gồm cả pin.

Một số ủy ban kỹ thuật IEC tập trung vào việc phát triển các tiêu chuẩn cho giải pháp lưu trữ năng lượng và pin, chẳng hạn như TC 21 dành cho pin và ắc quy thứ cấp trong vận tải, thiết bị công nghiệp và hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS). TC 105 dành cho công nghệ pin nhiên liệu đã được triển khai trong hệ thống giao thông đường bộ và đường sắt, cũng như các ứng dụng khác. TC 57 cho phép xe điện hoạt động như nhà cung cấp năng lượng cho lưới điện. TC 111 chịu trách nhiệm về tiêu chuẩn hóa môi trường, phát triển các tiêu chuẩn liên quan đến nền kinh tế tuần hoàn, giải quyết các vấn đề như tính tuần hoàn của vật liệu và khả năng tái chế,...

Gần đây nhất, TC 111 đang soạn thảo một tiêu chuẩn mới - IEC 63395 - đề cập đến quản lý rác thải điện tử bền vững và vấn đề trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất (EPR) - một phương pháp tiếp cận chính sách buộc nhà sản xuất phải chịu trách nhiệm về sản phẩm của mình trong giai đoạn hậu tiêu dùng.

Các chương trình đánh giá sự phù hợp của IEC đảm bảo các nhà sản xuất tuân thủ các thông số kỹ thuật được liệt kê trong tiêu chuẩn. Thông qua Hệ thống Đánh giá Chất lượng IEC (IECQ), IEC vận hành một chương trình chứng nhận thiết kế sinh thái (ecodesign) ở cấp độ quốc tế, nhằm lồng ghép các yếu tố tác động môi trường vào thiết kế sản phẩm, phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế về thiết kế sinh thái IEC 62430.

Đây là một trong nhiều dịch vụ môi trường do IECQ cung cấp. Các dịch vụ này, bao gồm chứng nhận thiết kế sinh thái, xác minh tuyên bố về lượng khí thải carbon và quản lý chất độc hại, có thể được áp dụng cho bất kỳ ngành nào đang tìm kiếm các giải pháp bền vững, bao gồm cả pin. Các công ty có thể sử dụng chứng nhận thiết kế sinh thái IECQ làm bằng chứng về tính xác thực của các tuyên bố về môi trường và tránh tình trạng “tẩy xanh”, từ đó xây dựng uy tín trên thị trường và với khách hàng.

Nhằm tạo ra tác động sâu rộng hơn, thông qua Quỹ Tác động Toàn cầu, IEC đang tái sử dụng pin tái chế để khôi phục các hệ thống điện mặt trời tại các trường học và phòng khám ở Kenya, kéo dài tuổi thọ pin để tiếp cận nguồn năng lượng sạch. Con đường phía trước để triển khai công nghệ pin một cách hiệu quả và bền vững đòi hỏi sự cân bằng – giữa đột phá công nghệ, hỗ trợ chính sách và hợp tác công nghiệp dựa trên các tiêu chuẩn – nhằm đảm bảo pin thực sự phát huy vai trò trong một tương lai phát triển bền vững.

Nguồn: etech.iec.ch

Bài đăng KH&PT số 1354 (số 30/2025)

Khoahocphattrien