Supply Chain for Lithium and Critical Minerals Is … Critical

Publikováno dne June 11, 2020 od Cameron Tarry a Faith Martinez-Smith

Úvod

jste si vědomi toho, kolik minut strávíte na telefonu každý týden? V průměru dospělí tráví více než 3 hodiny denně na smartphonu, ale už jste se někdy zastavili, abyste přemýšleli o tom, z čeho je váš mobilní telefon vyroben? Určitě je skleněný kryt, nějaký kov a plast,ale co baterie?

mobilní telefony váží ~7 uncí a baterie je 1/5 toho.1 Většina telefonů se spoléhá na lithium-iontovou baterii, která používá méně než jeden gram (3/100ths unce) lithia jako „médium“ pro ukládání energie.2 Jak lithium vytváří ionty, proudí mezi anodou a katodou, aby vytvořily náboj. Docela v pohodě, že jo!

ale, pro tuto malou stopu lithia musíme být schopni poslat SMS mámě, dodavatelský řetězec, aby to získal, je opravdu komplikovaný.

Lithium-iontové baterie nejsou jen v našich telefonech-jsou ve skutečnosti středem našeho přechodu čisté energie. Jiné materiály, jako je grafit, který se také používá v bateriích; a telur, který se používá v solárních článcích nové generace, jsou důležité, ale lithium rozhodně řídí trh s bateriemi. Téměř všechno – od telefonu, k elektrickým vozidlům, k užitkovým úložným řešením-hledá aplikace pro lithium.3

možná jste si přečetli o nové lithium-iontové baterii, na které Tesla pracuje s čínským výrobcem baterií Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) to prý vydrží více než 1 milion mil a mělo by to dopad na technologii baterií.4 Existuje však jedna obrovská otázka: odkud pochází lithium a další kritické materiály? Dnes je odpověď – Ne Spojené státy

národní bezpečnost USA je oslabena, pokud schopnost stavět ve Spojených státech závisí na materiálech a výměnách daleko mimo kontrolu USA.

kritické, ale ne Domácí

v 2018 americké ministerstvo vnitra zveřejnilo seznam 35 kritických minerálů: minerálů, které jsou „kritické pro hospodářskou a národní bezpečnost Spojených států.“5 tyto minerály jsou nezbytné pro provoz klíčových odvětví, jako je letecký průmysl, obrana, Energetika, Elektronika a doprava, ale mají dodavatelské řetězce, které lze snadno narušit.6 Za prvé, tyto minerály lze nalézt v zemské kůře, ale jsou těženy nebo zpracovávány pouze v koncentrovaných geografických lokalitách. Komponenty některých lithium-iontových baterií, jako grafit, lithium, kobalt, a mangan, jsou také na tomto seznamu.

USA dováží většinu těchto kritických minerálů v různých množstvích. Přestože USA jsou lídrem ve výrobě berylia a helia, spoléhá se výhradně na dovoz 14 minerálů, včetně bauxitu, primárního zdroje hliníku, a tantalu, což je kondenzátor v některé elektronice. Naproti tomu Čína je zdaleka předním producentem kritických nerostů, dominuje produkci 16 z nich.7

No a co? Podívejme se na baterie jako příklad. Mnoho lithium-iontových baterií používá kobalt ve své katodě. Přesto, že je tak široce používán, více než 90% kobaltu se vyrábí jako vedlejší produkt těžby jiných zdrojů, takže jeho výroba je závislá na faktorech kromě poptávky po bateriích. A co víc, více než 65% celosvětové produkce je soustředěno v Demokratické republice Kongo, zemi, ve které Organizace spojených národů stále udržuje mírovou přítomnost.8,9 je tedy svět nejen závislý na jedné zemi, pokud jde o její dodávky, ale tato dodávka by mohla být reálně přerušena geograficky specifickou nebo nesouvisející událostí. Ačkoli je Čína pouze investorem mnoha kobaltových dolů, kontroluje 70% kapacity přeměny kobaltové rudy na kobaltové chemikálie pro průmysl baterií, což jim dává další kontrolu nad dodavatelským řetězcem.

stejně jako mnoho z těchto kritických minerálů čelí lithium stejným výzvám. Přestože je lithium hojné, je těžké ho extrahovat a zpracovávat. Většina těžby lithia je soustředěna v Latinské Americe a Austrálii, zatímco Čína ovládá většinu zpracovatelských kapacit; samotná Austrálie se může pochlubit pěti z deseti největších ložisek lithia na světě a více než 60% zpracování lithia se vyskytuje v Číně.10,11 výroba lithiových chemikálií a konečných produktů zahrnuje země jako Čína, Japonsko a Jižní Korea. I při obchodování se spojenci je dodavatelský řetězec lithia skutečně globální. USA. schopnost vyrábět baterie se opírá o faktory mimo její kontrolu-globální obchodní ceny — zahraniční těžební a zpracovatelské schopnosti nebo dokonce pandemie, která omezuje mezinárodní obchod. Vzhledem k tomu, že USA se snaží přinést více kritické produkce minerálů domů, pojďme sledovat lithium ze země do našich kapes jako případovou studii.

hloubení hlouběji

Lithium se těží z různých zdrojů: solanky a tvrdé horniny, s jinými, jako je průzkum hlíny. Asi polovina světového lithia pochází ze solanky podzemní vody, vody bohaté na lithiovou sůl. Podzemní voda solanka se nejčastěji těží v Jižní Americe. Přístup k tomuto lithiu zahrnuje čerpání vody na povrch a nechat ji sedět v obrovských rybnících měsíce nebo roky, dokud není koncentrace lithia dostatečně vysoká. Lithium lze také těžit z tvrdé horniny v zemi v tradičním dole. Tyto minerály jsou tím, jak se nejvíce lithia získává v Austrálii a byl nejdůležitějším zdrojem lithia před objevením jihoamerických zásob lithia.12 každý z těchto typů těžby čelí problémům životního prostředí: solanka pro využití vody a stopu a tradiční doly pro jejich stopu a vyluhování chemikálií.13

poté, co je ze země, musí být sloučenina lithia zpracována na použitelný produkt. Lithiové chemikálie, nikoli samotné lithium, se používají v bateriích a jiných výrobcích. To znamená, že lithium se zpracovává z jedné sloučeniny na druhou, kterou lze použít.14 tato zpracovatelská zařízení jsou vysoce specializovaná, protože různí zákazníci vyžadují sloučeniny se specifickým složením a čistotou.15 tyto procesy jsou také velmi energeticky náročné a přidávají vloženou uhlíkovou stopu, když se zpracovatelská zařízení nacházejí v zemích s vysokými emisemi. Většina zařízení na zpracování lithia je v Číně, která v dubnu 2019.16 vyrobila více než 60% světového lithia to znamená, že dodavatelský řetězec lithiové baterie skutečně závisí na globálním obchodu, i když výrobní zařízení pro samotnou baterii je ve Spojených státech.

překvapivý prvek tohoto dodavatelského řetězce přichází s výrobou baterie, i když zpracování lithia čelí podobným obavám. Výroba lithium-iontové baterie je také energeticky náročný výrobní proces. Tato energie často pochází ze zdrojů emitujících uhlík, a když ano, tato energie představuje polovinu uhlíkové stopy lithium-iontové baterie. Doprava také faktory; přeprava lithia z Chile do Číny do Japonska nebo Jižní Koreje přidává nezanedbatelnou stopu skleníkových plynů; pouhá přeprava dokončených bateriových článků z Jižní Koreje do Michiganu přidává stopu 4.1 kg CO2e/kWh.17

nyní máme kousky na místě, podívejme se na jednu lithium-iontovou baterii, která byla v centru pozornosti: to v automobilu Tesla, jehož iterace semi truck byla nedávno zpožděna kvůli omezením výroby baterií. Elektrické auto potřebuje obrovské množství lithia; baterie v Tesla Model S potřebuje 140 liber lithia, množství v 10,000 mobilních telefonech.18 Tesla zdroje lithia z australských Kidman Resources Mines, hard rock mine; společnost nedávno spolupracovala s SQM, Chilská společnost, vyvinout Mt. Holland Lithium projekt v Západní Austrálii přidat další těžební kapacity pro Tesla. Hornina je pak odeslána čínskému lithiu Ganfeng ke zpracování na hydroxid lithný, chemickou látku, kterou Tesla používá ve svých bateriích. Tato chemikálie je poslána do výrobních závodů Tesly v New Yorku, Nevadě, Kalifornii a Šanghaji, aby byla vyrobena z baterie. Takže i když mnoho modelů 3 elektrická vozidla jsou vyráběna ve Fremontu, že, že výroba se spoléhá na síť společností, procesy, a řetězy, které krouží po celém světě. Dokonce i plánovaná solární Gigafactory společnosti Tesla, již největší továrna na výrobu baterií na světě, přináší do Spojených států pouze tento konečný výrobní prvek dodavatelského řetězce baterií.

zkomplikování tohoto procesu spočívá v tom, že každý krok-těžba – zpracování a nakonec konečné využití výroby – je neodmyslitelně spojen s poptávkou na konci dodavatelského řetězce. m. Holandský projekt závisí na tom, že Tesla chce více baterií. Chemie baterií je křehká, což znamená, že lithiový důl a zpracovatelské zařízení musí být schopné spolehlivě produkovat konzistentní lithiové chemikálie; Projekt na výrobu více lithia je tedy poháněn tím, že má off-taker. Cena lithia závisí na globálním trhu, což znamená, že riziko zahájení nového projektu bez vědomí zákazníka je nepřekonatelné.19 to může způsobit problém s kuřecím masem a vejci:je téměř nemožné postavit důl bez partnera, který je mimo odběr, a je obtížné získat takovou dohodu, aniž bychom nejprve stanovili obchodní možnosti.20

Pokud USA chce umožnit domácí dodavatelský řetězec lithia, má tedy mnoho různých fází a procesů, které je třeba vybudovat, stejně jako výrobní, environmentální a ekonomické faktory, s nimiž se musí potýkat. Naštěstí vysoká poptávka z explodujícího růstu elektrických vozidel, vážného geologického potenciálu a pracovní síly zkušené ve výrobě dávají USA úrodnou půdu, na které lze stavět. Nyní chápeme proces za lithium-iontovou baterií, vraťme se zpět do USA

současné schopnosti USA

v současné době má USA nízké schopnosti, ale vysoký slib: významná ložiska lithia, ale jen hrstka operací. Jedna americká společnost, Albemarle, má zařízení v Severní Karolíně, Tennessee a Nevadě. Dnes je Albemarle v Nevadě jediným aktivním lithiovým dolem v USA, který získává lithium ze solanky pomocí odpařovacích rybníků. Společnost také historicky těžila tvrdou skálu na svém místě v Severní Karolíně; Albemarle v současné době provozuje chemickou přeměnu v Severní Karolíně a zkoumá potenciál restartovat těžební operaci v Severní Karolíně.21 kanadská společnost Lithium Americas navíc vyvíjí projekt Thacker Pass, který bude po uvedení do provozu druhým největším lithiovým dolem na světě. Projekt má zahájit výrobu v roce 2022 a k těžbě hlíny použije metodu otevřené jámy.22

US inovace v práci

USA jsou zralé s potenciálem rozvíjet více dodavatelského řetězce lithia. Dnes je ve vývoji několik projektů, které nejen rozšiřují produkci lithia v USA, ale nacházejí ekologičtější a ekonomičtější způsoby, jak toho dosáhnout. Jejich geografická a technická rozmanitost poskytuje širokou škálu příkladů pro budoucí dodavatelský řetězec lithia v USA.

v geotermálním poli Salton Sea v Kalifornii se řízené tepelné zdroje snaží zabít dva ptáky jedním kamenem: vyrábět energii z geotermálního tepla při těžbě lithia z jeho solanky. Konvenční geotermální zařízení generují teplo ze zásobníků horké vody v blízkosti povrchu; pokud má tato solanka významné koncentrace lithia, mohlo by být lithium hypoteticky extrahováno jako z jakékoli jiné lithiové solanky. Tato technika se nazývá přímá extrakce lithia. Hlavním přínosem této metody je její ekologická stopa-využívá méně místa a méně vody než tradiční extrakce solanky — je uzavřená smyčka vrácením solanky ke zdroji, a je poháněn obnovitelnou energií na místě. Tento proces také extrahuje lithium v hodinách, nikoli měsících.23 navrhováním systému od základů tak, aby zahrnoval těžbu lithia, v oblasti s extrémně vysokými koncentracemi lithia, řízené tepelné zdroje doufají, že do roku 2023 vytvoří domácí zdroj uhličitanu lithného pro výrobu elektrických vozidel.24

v jižním centrálním Arkansasu přijímá kanadská společnost Standard Lithium přímou těžbu lithia do stávající infrastruktury ve spolupráci s německou chemickou společností Lanxess. V současné době Projekt Lanxess pokrývá 150 000 akrů a 10 000 leasingů na vytažení solanky, která je pak potrubím do tří zpracovatelských závodů na extrakci bromu. V roce 2019 začalo standardní Lithium zkoumat těžbu lithia ze solanky před jeho opětovným vložením do země. Na jihozápadě státu, standardní Lithium spolupracuje s Tetra Technologies, aby prozkoumala těžbu lithia z odpadní solanky z těžby ropy a plynu. Stejně jako projekt Salton Sea by tyto projekty využívaly systém uzavřené smyčky, který snižuje jak dopad na životní prostředí, tak čas procesu těžby lithia.25 tyto projekty také nabízejí potenciálně obrovské úspory nákladů tím, že využijí stávající infrastrukturu, což poskytuje levnější způsob, jak získat lithium ve Spojených státech.

někteří se snaží inovovat ještě dále. Vědci z Texaské univerzity v Austinu nedávno vyvinuli novou filtrační techniku, která by mohla výrazně zkrátit dobu potřebnou k extrakci lithia ze solanky. V testech je míra využití lithia až 90%; to znamená efektivnější využití zdrojů a lepší ekologickou stopu pro těžbu lithia.26 vzhledem k tomu, že USA usilují nejen o zajištění domácích kritických dodávek nerostných surovin, ale také o zlepšení procesu těžby lithia, bude se tento pokrok spoléhat na klíčové inovátory, jako jsou tito.

pro některé z dalších kritických minerálů bylo možné najít jiné řešení na dně oceánu poblíž pobřeží USA. Potenciál hlubinné těžby by mohl nabídnout vyšší výnosy nerostů a mnohem méně toxického odpadu než tradiční kritická těžba nerostů. Nadnárodní společnost DeepGreen prozkoumala hlubinnou těžbu „polymetalických uzlů“ obsahujících nikl, mangan, a kobalt, všechny fungují jako katoda v nejběžnějším nastavení baterií elektrických vozidel, jak bylo zmíněno.27 Massachusetts Institute of Technology (MIT) se také zabýval tímto procesem, aby pomohl zúčastněným stranám tento proces rozvíjet.28 hlubinných minerálů by mohlo pomoci při zavádění baterií, protože náš hlad po elektricky nabitém všem roste.

domácí politika

vzhledem k existujícím výzvám v dodavatelském řetězci a globálnímu hladu po bateriích, u.S. politici hledali způsoby, jak motivovat domácí rozvoj kritických dodavatelských řetězců nerostných surovin. Dosud největší iniciativou na podporu tuzemské kritické produkce nerostných surovin je velká výzva ministerstva energetiky. Cílem výzvy je obecně inovovat, vyrábět a zavádět řešení pro ukládání energie výhradně ve Spojených státech, aby bylo do roku 2030 k dispozici robustní portfolio úložišť. Významná část tohoto úsilí se zaměřuje na zajištění domácího výrobního dodavatelského řetězce pro kritické minerály, zahrnující technologický pokrok, rozšíření inovací a spolehlivé získávání materiálů.29 dosažení tohoto cíle bude vyžadovat podrobný průzkum schopností Spojených států a rozvoj ve velké části dodavatelského řetězce.

na legislativní frontě byl v roce 2019 zaveden bipartisan American Mineral Security Act (S. 1317) a v současné době je součástí amerického zákona o energetických inovacích. Návrh zákona řídí federální vládu, aby vyvinula nástroje pro lepší hodnocení ložisek nerostných surovin ve Spojených státech. Rovněž povoluje výzkum a vývoj pro zpracování a recyklaci kritických minerálů.30 úspěšný program produkce nerostných surovin v USA se opírá o přesné informace; Tento návrh zákona by mohl poskytnout nezbytný základ pro budoucí úsilí o těžbu nerostných surovin.

více zaměřený na rozsah, senátor Ted Cruz Ruda Act (s. 3694) si klade za cíl snížit závislost na Číně posílením americké produkce minerálů vzácných zemin. Návrh zákona zahrnuje daňové odpočty za náklady na výstavbu dolů vzácných zemin a pobídky na straně poptávky k využívání tuzemských nerostů.31 z 2019 by senátor Marco Rubio re-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) pověřil koordinační orgán, aby dohlížel na vývoj integrovaného dodavatelského řetězce vzácných zemin. Více než 80% prvků vzácných zemin se dováží z Číny — dokonce i minerály těžené v kalifornském horském průsmyku jsou dodávány do Číny ke zpracování — takže přivedení dodavatelského řetězce domů by mohlo snížit závislost na Číně.32,33

v USA Sněmovna reprezentantů, zástupci Michael Waltz (R-FL) a Paul Gosar (R-AZ) nedávno představili americký zákon o kritickém průzkumu a inovacích nerostů z roku 2020 (HR 7061), který stanoví rámec pro rozšíření kritické nerostné bezpečnosti. Crosscutting bill to dělá prostřednictvím rozšířeného hodnocení zdrojů, výzkum a vývoj v pokročilých kritických minerálních technologiích, a iniciativy pro rozvoj pracovní síly. Prohlížení kritické nerostné bezpečnosti od země k průmyslu pomáhá položit základy pro přeskupení kritické nerostné politiky USA, která podporuje domácí dodavatelský řetězec.

další možností, jak snížit závislost na Číně, je recyklace. Dnes je méně než 5% lithium-iontových baterií recyklováno, především proto, že proces je neatraktivní: je energeticky náročný, produkuje toxické vedlejší produkty a snaží se získat značné množství lithiového materiálu. Pouze jedna americká společnost, Retriev Technologies Inc.34,35 recykluje lithium-kovové a lithium-iontové baterie ve svých zařízeních v Britské Kolumbii a Lancasteru v Ohiu., Zákon o recyklaci baterií a kritických minerálů z roku 2020 (s.3356) a cena za recyklaci Lithium-iontových baterií ministerstva energetiky z roku 2019 má za cíl zlepšit recyklaci R&D a motivovat k vytváření domácích recyklačních center.36,37

malá baterie, velký dopad

dodavatelský řetězec lithia a dalších kritických minerálů, fyzicky malá část skladování energie a elektrických vozidel, je obrovský a složitý. Dotýká se geopolitických, environmentálních a ekonomických otázek, které v současné době leží mimo přímou kontrolu USA. Komponenty pro vybudování úspěšného dodavatelského řetězce pro americké skladování lithia a energie existují: zásoby lithia, schopná pracovní síla, domácí poptávka a ekonomická síla. Přesto, aby tyto komponenty úspěšně propojily, musí USA strategicky řešit síť faktorů, kterým baterie čelí na své cestě po celém světě a do kapsy.