Publicado el 11 de junio de 2020 por Cameron Tarry y Faith Martinez-Smith
Introducción
¿Sabe cuántos minutos pasa en su teléfono cada semana? En promedio, los adultos pasan más de 3 horas al día con un teléfono inteligente, pero ¿alguna vez se ha detenido a pensar en de qué está hecho su teléfono celular? Seguro que hay una cubierta de vidrio, algo de metal y plástico, pero ¿qué hay de la batería?
Los teléfonos celulares pesan ~7 onzas, y la batería es 1/5 de eso.1 La mayoría de los teléfonos dependen de una batería de iones de litio, que utiliza menos de un gramo (3/100 de onza) de litio como «medio» para el almacenamiento de energía.2 A medida que el litio crea iones, fluyen entre el ánodo y el cátodo para crear una carga. Muy bien, ¿verdad?
Pero, para ese pequeño rastro de litio que necesitamos poder enviar un mensaje a Mamá, la cadena de suministro para obtenerlo es realmente complicada.
Las baterías de iones de litio no solo están en nuestros teléfonos, sino que en realidad están en el centro de nuestra transición de energía limpia. Otros materiales como el grafito, que también se usa en baterías, y el telurio, que se usa en células solares de próxima generación, son importantes, pero el litio definitivamente está impulsando el mercado del almacenamiento de baterías. Prácticamente todo, desde su teléfono hasta vehículos eléctricos y soluciones de almacenamiento a escala de servicios públicos, está encontrando aplicaciones para el litio.3
Quizás haya leído sobre la nueva batería de iones de litio en la que Tesla está trabajando con el fabricante chino de baterías Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) se dice que dura más de 1 millón de millas y tendría un impacto en la tecnología de la batería.4 Pero hay una gran pregunta: ¿de dónde viene el litio y otros materiales críticos? Hoy en día, la respuesta es: no los Estados Unidos
La seguridad nacional de los Estados Unidos se debilita si la capacidad de construir en los Estados Unidos depende de materiales e intercambios fuera del control de los Estados Unidos.
Crítico, pero no doméstico
En 2018, el Departamento del Interior de los Estados Unidos publicó una lista de 35 minerales críticos: minerales que son «críticos para la seguridad económica y nacional de los Estados Unidos.»5 Estos minerales son esenciales para el funcionamiento de sectores clave como el aeroespacial, la defensa, la energía, la electrónica y el transporte, pero tienen cadenas de suministro fáciles de interrumpir.6 Por un lado, estos minerales se pueden encontrar en la corteza terrestre, pero solo se extraen o procesan en ubicaciones geográficas concentradas. Los componentes de algunas baterías de iones de litio, como el grafito, el litio, el cobalto y el manganeso, también están en esta lista.
Los Estados Unidos importan la mayoría de estos minerales críticos en cantidades variables. Aunque Estados Unidos es líder en la producción de berilio y helio, depende totalmente de las importaciones de 14 de los minerales, incluida la bauxita, la fuente primaria de aluminio, y el tántalo, que es un condensador en algunos dispositivos electrónicos. Por el contrario, China es, con mucho, el principal productor de minerales críticos, dominando la producción de 16 de ellos.7
China Es el Principal Productor de Minerales Críticos, Mientras que Estados Unidos importa 14 de Ellos
¿Y qué? Veamos las baterías como un ejemplo. Muchas baterías de iones de litio usan cobalto en su cátodo. A pesar de ser tan ampliamente utilizado, más del 90% del cobalto se produce como subproducto de la extracción de otros recursos, lo que hace que su producción dependa de factores además de la demanda de baterías. Además, más del 65% de la producción mundial se concentra en la República Democrática del Congo, un país en el que las Naciones Unidas aún mantienen una presencia de mantenimiento de la paz.8,9 Por lo tanto, el mundo no sólo depende de un país para su suministro, sino que ese suministro podría ser cortado por un acontecimiento geográficamente específico o no relacionado. Aunque solo es un inversor en muchas minas de cobalto, China controla el 70% de la capacidad para convertir el mineral de cobalto en productos químicos de cobalto para la industria de baterías, lo que les da un control adicional de la cadena de suministro.
Al igual que muchos de estos minerales críticos, el litio se enfrenta a los mismos desafíos. Aunque es abundante, el litio es difícil de extraer y procesar. La mayor parte de la minería de litio se concentra en América Latina y Australia, mientras que China controla la mayor parte de la capacidad de procesamiento; solo Australia cuenta con cinco de los diez depósitos de litio más grandes del mundo, y más del 60% del procesamiento de litio se produce en China.10,11 La producción de productos químicos y productos finales de litio abarca países como China, Japón y Corea del Sur. Incluso cuando se comercia con aliados, la cadena de suministro de litio es verdaderamente global. estadounidense. la capacidad de fabricar baterías depende de factores que están fuera de su control: precios de comercio mundial, capacidad de procesamiento y minería extranjera, o incluso una pandemia que limita el comercio internacional. A medida que los Estados Unidos buscan llevar a casa una producción de minerales más críticos, rastreemos el litio desde el suelo hasta nuestros bolsillos como un estudio de caso.
Excavar más profundo
El litio se extrae de diferentes fuentes: salmuera y roca dura, con otras como arcilla en exploración. Aproximadamente la mitad del litio del mundo proviene de salmuera subterránea, agua rica en sal de litio. La salmuera de aguas subterráneas se extrae con mayor frecuencia en América del Sur. Acceder a este litio implica bombear el agua a la superficie y dejarla reposar en enormes estanques durante meses o años hasta que la concentración de litio sea lo suficientemente alta. El litio también se puede extraer de roca dura en el suelo en una mina tradicional. Estos minerales son la forma en que se obtiene la mayor parte del litio en Australia y era la fuente más importante de litio antes del descubrimiento de las reservas de litio de América del Sur.12 Cada uno de estos tipos de minería enfrenta problemas ambientales: salmuera por su uso de agua y huella, y minas tradicionales por su huella y lixiviación de productos químicos.13
Después de salir del suelo, el compuesto de litio debe procesarse para convertirlo en un producto utilizable. Los productos químicos de litio, no solo litio, se utilizan en baterías y otros productos. Esto significa que el litio se procesa de un compuesto a otro que se puede usar.14 Estas instalaciones de procesamiento son altamente especializadas, ya que diferentes clientes requieren compuestos con composiciones y purezas específicas.15 Los procesos también consumen mucha energía, lo que añade una huella de carbono incrustada cuando las instalaciones de procesamiento están ubicadas en países con altas emisiones. La mayoría de las instalaciones de procesamiento de litio se encuentran en China, que produjo más del 60% del litio mundial en abril de 2019.16 Esto significa que la cadena de suministro de una batería de litio realmente depende del comercio mundial, incluso si la instalación de fabricación de la batería en sí está en los Estados Unidos.
Un elemento sorprendente de esta cadena de suministro viene con la fabricación de la batería, aunque el procesamiento de litio enfrenta preocupaciones similares. La fabricación de una batería de iones de litio también es un proceso de fabricación que consume mucha energía. A menudo, esta energía proviene de fuentes emisoras de carbono, y cuando lo hace, esa energía representa la mitad de la huella de carbono de una batería de iones de litio. El transporte también tiene en cuenta; el envío de litio de Chile a China a Japón o Corea del Sur agrega una huella de gases de efecto invernadero no insignificante; el solo transporte de celdas de batería completas de Corea del Sur a Michigan agrega una huella de CO2e/kWh de 4,1 kg.17
Ahora tenemos las piezas en su lugar, veamos una batería de iones de litio que ha estado en el centro de atención: eso en un coche Tesla, cuya iteración de semirremolques se retrasó recientemente debido a limitaciones de producción de baterías. Un coche eléctrico necesita una cantidad masiva de litio; la batería de un Tesla Model S necesita 140 libras de litio, la cantidad de 10,000 teléfonos celulares.18 Tesla obtiene litio de las minas Kidman Resources de Australia, una mina de roca dura; la compañía se asoció recientemente con SQM, una compañía chilena,para desarrollar el Mt. Proyecto Holland Lithium en Australia Occidental para agregar más capacidad minera a Tesla. La roca luego se envía al litio Ganfeng de China para su procesamiento en hidróxido de litio, el químico que Tesla utiliza en sus baterías. Ese producto químico se envía a las instalaciones de fabricación de Tesla en Nueva York, Nevada, California y Shanghai para convertirlo en una batería. Por lo tanto, a pesar de que muchos vehículos eléctricos Modelo 3 se fabrican en Fremont, California, la fabricación se basa en una red de empresas, procesos y cadenas que rodean el mundo. Incluso la gigafábrica de energía solar planificada de Tesla, que ya es la fábrica de baterías de mayor volumen del mundo, solo trae ese elemento de fabricación final de la cadena de suministro de baterías a los Estados Unidos.
Lo que hace que este proceso sea más complicado es que cada paso (minería, procesamiento y, finalmente, fabricación, uso final) está intrínsecamente vinculado a la demanda al final de la cadena de suministro. El Mt. El proyecto Holland depende de que Tesla quiera más baterías. La química de la batería es frágil, lo que significa que una mina de litio y una instalación de procesamiento deben ser capaces de producir productos químicos de litio consistentes de manera confiable; un proyecto para producir más litio es impulsado por tener un comprador. El precio del litio depende del mercado global, lo que significa que el riesgo de embarcarse en un nuevo proyecto sin un cliente en mente es insuperable.19 Esto puede crear un problema de gallina y huevo:es casi imposible construir una mina sin un socio de compra, y es difícil obtener un acuerdo de este tipo sin establecer primero capacidades a escala comercial.20
Si los estados UNIDOS quiere habilitar una cadena de suministro de litio doméstica, por lo que tiene muchas etapas y procesos diferentes que construir, así como factores de fabricación, ambientales y económicos con los que lidiar. Afortunadamente, la alta demanda del crecimiento explosivo de los vehículos eléctricos, el gran potencial geológico y la mano de obra con experiencia en la fabricación brindan a los Estados Unidos un terreno fértil para construir. Ahora que entendemos el proceso detrás de una batería de iones de litio, volvamos a EE. UU.
Capacidades actuales de EE. UU.
Actualmente, EE. UU. tiene capacidades bajas pero altas promesas: depósitos de litio significativos, pero solo un puñado de operaciones. Una empresa estadounidense, Albemarle, tiene instalaciones en Carolina del Norte, Tennessee y Nevada. Hoy en día, el sitio de Albemarle en Nevada es la única mina de litio activa en los Estados Unidos, extrayendo litio de la salmuera mediante estanques de evaporación. La compañía también minó históricamente roca dura en su sitio de Carolina del Norte; Albemarle actualmente dirige una planta de conversión química en Carolina del Norte y está investigando el potencial para reiniciar la operación minera de Carolina del Norte.21 Además, la compañía canadiense Lithium Americas está desarrollando el proyecto Thacker Pass, que será la segunda mina de litio más grande del mundo tras su puesta en marcha. El proyecto está programado para comenzar la producción en 2022 y utilizará un método a cielo abierto para extraer arcilla.22
EE.UU. Innovation At Work
EE.UU. está maduro con potencial para desarrollar más de la cadena de suministro de litio. Hoy en día, hay varios proyectos en desarrollo que no solo expanden la producción de litio en los Estados Unidos, sino que también encuentran formas más ecológicas y económicas de hacerlo. Su diversidad geográfica y técnica ofrece una amplia gama de ejemplos para una futura cadena de suministro de litio en los Estados Unidos.
En el campo geotérmico Salton Sea en California, Controlled Thermal Resources está tratando de matar dos pájaros de un tiro: generar energía a partir de calor geotérmico mientras extrae litio de su salmuera. Las plantas geotérmicas convencionales generan calor a partir de depósitos de agua caliente cerca de la superficie; cuando esta salmuera tiene concentraciones significativas de litio, hipotéticamente ese litio podría extraerse como de cualquier otra salmuera de litio. Esta técnica se denomina extracción directa de litio. Un beneficio principal de este método es su huella ambiental: utiliza menos espacio y menos agua que la extracción tradicional de salmuera, es de circuito cerrado al devolver la salmuera a su fuente y funciona con energía renovable in situ. El proceso también extrae litio en horas, no meses.23 Al diseñar el sistema desde cero para incorporar la extracción de litio, en un área con concentraciones de litio extremadamente altas, Controlled Thermal Resources espera crear una fuente doméstica de carbonato de litio para 2023 para la fabricación de vehículos eléctricos.24
En el centro sur de Arkansas, la empresa canadiense Standard Lithium está llevando la extracción directa de litio a la infraestructura existente en asociación con la empresa química alemana Lanxess. Actualmente, el Proyecto Lanxess cubre 150,000 acres y 10,000 arrendamientos para extraer salmuera, que luego se canaliza a tres plantas de procesamiento para extraer bromo. En 2019, Standard Lithium comenzó a explorar la extracción de litio de la salmuera antes de su reinyección en el suelo. En el suroeste del estado, Standard Lithium se ha asociado con Tetra Technologies para explorar la extracción de litio de la salmuera de residuos de la producción de petróleo y gas. Al igual que el proyecto Salton Sea, estos proyectos utilizarían un sistema de circuito cerrado que reduce el impacto ambiental y el tiempo del proceso de extracción de litio.25 Estos proyectos también ofrecen ahorros de costos potencialmente enormes al aprovechar la infraestructura existente, proporcionando una forma de bajo costo de obtener litio en los Estados Unidos.
Algunos buscan innovar aún más. Científicos de la Universidad de Texas en Austin desarrollaron recientemente una nueva técnica de filtración que podría reducir significativamente el tiempo que se necesita para extraer litio de la salmuera. En las pruebas, la tasa de recuperación de litio es de hasta el 90%; esto significa una recuperación de recursos más eficiente y una mejor huella ambiental para la extracción de litio.26 A medida que los Estados Unidos buscan no solo asegurar un suministro nacional de minerales críticos, sino también mejorar el proceso de extracción de litio, tal progreso dependerá de innovadores clave como estos.
Para algunos de los otros minerales críticos, se podría encontrar otra solución en el fondo del océano cerca de las costas de los Estados Unidos. El potencial de la minería en aguas profundas podría ofrecer mayores rendimientos minerales y desechos mucho menos tóxicos que la minería tradicional de minerales críticos. La empresa multinacional DeepGreen ha explorado la extracción en aguas profundas de» nódulos polimetálicos » que contienen níquel, manganeso y cobalto, todos los cuales actúan como cátodos en la configuración de baterías de vehículos eléctricos más común, como se mencionó.27 El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) también ha estudiado este proceso para ayudar a las partes interesadas a desarrollarlo.28 minerales de aguas profundas podrían ayudar en la escala de despliegue de la batería a medida que crece nuestro hambre de todo cargado eléctricamente.
Política nacional
Dados los desafíos existentes en la cadena de suministro y el hambre mundial de baterías, U.Los encargados de formular políticas han buscado formas de incentivar el desarrollo nacional de cadenas de suministro de minerales esenciales. Hasta la fecha, la mayor iniciativa para estimular la producción nacional de minerales críticos es el Gran Desafío del Almacenamiento de Energía del Departamento de Energía. En términos generales, el Desafío tiene como objetivo innovar, producir e implementar soluciones de almacenamiento de energía en su totalidad en los Estados Unidos para poseer una cartera de almacenamiento sólida para 2030. Una parte importante de este esfuerzo se centra en asegurar una cadena de suministro de manufactura nacional para minerales críticos, que implica avances tecnológicos, aumento de la innovación y abastecimiento confiable de materiales.29 El logro de este objetivo requerirá una exploración detallada de las capacidades de los Estados Unidos y el desarrollo en gran parte de la cadena de suministro.
En el frente legislativo, la Ley bipartidista de Seguridad Minera Estadounidense (S. 1317) se introdujo en 2019 y actualmente forma parte de la Ley de Innovación Energética Estadounidense. El proyecto de ley ordena al gobierno federal desarrollar herramientas para evaluar mejor los depósitos minerales en los Estados Unidos. También autoriza la investigación y el desarrollo para el procesamiento y el reciclaje de minerales críticos.30 Un programa exitoso para la producción de minerales en los Estados Unidos depende de información precisa; este proyecto de ley podría proporcionar la base necesaria para futuros esfuerzos de producción de minerales.
Con un alcance más específico, la Ley de minerales del Senador Ted Cruz (S. 3694) tiene como objetivo reducir la dependencia de China reforzando la producción estadounidense de minerales de tierras raras. El proyecto de ley incluye deducciones fiscales por el costo de la construcción de minas de tierras raras e incentivos por el lado de la demanda para utilizar minerales de producción nacional.31 A partir de 2019, la Ley de Manufactura del Siglo XXI RE-Coop del Senador Marco Rubio (S. 2093) autorizaría a un organismo coordinador para supervisar el desarrollo de una cadena de suministro integrada de tierras raras. Más del 80% de los elementos de tierras raras se importan de China, incluso los minerales extraídos en el Paso de Montaña de California se envían a China para su procesamiento, por lo que llevar la cadena de suministro a casa podría reducir la dependencia de China.32,33
En los estados UNIDOS La Cámara de Representantes, los Representantes Michael Waltz (R-FL) y Paul Gosar (R-AZ) presentaron recientemente la Ley Estadounidense de Exploración e Innovación de Minerales Críticos de 2020 (H. R. 7061), que establece un marco para ampliar la seguridad de los minerales críticos. El proyecto de ley transversal hace esto a través de una evaluación ampliada de recursos, investigación y desarrollo en tecnologías avanzadas de minerales críticos e iniciativas de desarrollo de la fuerza laboral. Ver la seguridad de los minerales críticos desde el suelo hasta la industria ayuda a sentar las bases para una realineación de la política de minerales críticos de los Estados Unidos que fomenta una cadena de suministro nacional.
Otra opción para reducir la dependencia de China es el reciclaje. Hoy en día, menos del 5% de las baterías de iones de litio se reciclan, principalmente porque el proceso no es atractivo: consume mucha energía, produce subproductos tóxicos y lucha por recuperar una cantidad significativa de material de litio. Solo una empresa estadounidense, Retriev Technologies Inc.34,35 recicla baterías de litio metálico y de iones de litio en sus instalaciones de Columbia Británica y Lancaster, Ohio., La Ley de Reciclaje de Baterías y Minerales Críticos de 2020 (Art.3356) y el Premio de Reciclaje de Baterías de Iones de Litio del Departamento de Energía de 2019 tienen como objetivo mejorar el reciclaje R&D e incentivar la creación de centros de reciclaje domésticos.36,37
Batería pequeña, gran impacto
La cadena de suministro de litio y otros minerales críticos, una parte físicamente pequeña del almacenamiento de energía y de los vehículos eléctricos, es inmensa y compleja. Toca cuestiones geopolíticas, ambientales y económicas que actualmente están fuera del control directo de Estados Unidos. Existen los componentes para construir una cadena de suministro exitosa para el almacenamiento de litio y energía en Estados Unidos: reservas de litio, mano de obra capaz, demanda interna y poder económico. Sin embargo, para vincular con éxito estos componentes, Estados Unidos debe abordar estratégicamente la red de factores a los que se enfrenta una batería en su viaje alrededor del mundo y en su bolsillo.