Publié le 11 juin 2020 par Cameron Tarry et Faith Martinez-Smith
Introduction
Savez-vous combien de minutes vous passez sur votre téléphone chaque semaine? En moyenne, les adultes passent plus de 3 heures par jour sur un smartphone, mais avez-vous déjà fait une pause pour réfléchir à la composition de votre téléphone portable? Bien sûr, il y a un couvercle en verre, un peu de métal et de plastique, mais qu’en est-il de la batterie?
Les téléphones portables pèsent ~ 7 onces, et la batterie est 1 / 5ème de cela.1 La plupart des téléphones reposent sur une batterie lithium-ion, qui utilise moins d’un gramme (3 / 100e d’once) de lithium comme « moyen » de stockage d’énergie.2 Lorsque le lithium crée des ions, ils s’écoulent entre l’anode et la cathode pour créer une charge. Plutôt cool, non!
Mais, pour cette petite trace de lithium, nous devons pouvoir envoyer un SMS à Maman, la chaîne d’approvisionnement pour l’obtenir est vraiment compliquée.
Les batteries lithium-ion ne sont pas seulement dans nos téléphones — elles sont en fait au centre de notre transition énergétique propre. D’autres matériaux comme le graphite, qui est également utilisé dans les batteries, et le tellure, utilisé dans les cellules solaires de nouvelle génération, sont importants, mais le lithium est certainement le moteur du marché du stockage de batteries. À peu près tout — de votre téléphone aux véhicules électriques en passant par les solutions de stockage à l’échelle des services publics – trouve des applications pour le lithium.3
Vous avez peut-être lu la nouvelle batterie lithium-ion sur laquelle Tesla travaille avec le fabricant de batteries chinois Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) cela durerait plus de 1 million de miles et aurait un impact sur la technologie des batteries.4 Mais il y a une énorme question: d’où viennent le lithium et d’autres matériaux critiques? Aujourd’hui, la réponse est — pas les États-Unis
La sécurité nationale des États-Unis est affaiblie si la capacité de construire aux États-Unis dépend de matériaux et d’échanges dépassant largement le contrôle des États-Unis.
Critiques, mais pas domestiques
En 2018, le département américain de l’Intérieur a publié une liste de 35 minéraux critiques: des minéraux « essentiels à la sécurité économique et nationale des États-Unis. »5 Ces minéraux sont essentiels au fonctionnement de secteurs clés tels que l’aérospatiale, la défense, l’énergie, l’électronique et les transports, mais ils ont des chaînes d’approvisionnement faciles à perturber.6 D’une part, ces minéraux se trouvent dans la croûte terrestre, mais ne sont extraits ou transformés que dans des endroits géographiques concentrés. Les composants de certaines batteries lithium-ion, comme le graphite, le lithium, le cobalt et le manganèse, figurent également sur cette liste.
Les États-Unis importent la plupart de ces minéraux critiques en quantités variables. Bien que les États-Unis soient un chef de file dans la production de béryllium et d’hélium, ils dépendent entièrement des importations de 14 de ces minéraux, dont la bauxite, la principale source d’aluminium, et le tantale, qui est un condensateur dans certains composants électroniques. En revanche, la Chine est de loin le premier producteur de minéraux critiques, dominant la production de 16 d’entre eux.7
La Chine Est le premier Producteur de Minéraux Essentiels Tandis que les États-Unis En importent 14
Et alors ? Regardons les batteries à titre d’exemple. De nombreuses batteries lithium-ion utilisent du cobalt dans leur cathode. Bien qu’il soit si largement utilisé, plus de 90% du cobalt est produit en tant que sous-produit de l’extraction d’autres ressources, ce qui rend sa production dépend de facteurs autres que la demande de batteries. De plus, plus de 65% de la production mondiale est concentrée en République démocratique du Congo, un pays dans lequel les Nations Unies maintiennent toujours une présence de maintien de la paix.8,9 Ainsi, non seulement le monde dépend-il d’un pays pour son approvisionnement, mais cet approvisionnement pourrait être coupé par un événement géographiquement spécifique ou sans rapport. Bien qu’elle ne soit qu’un investisseur dans de nombreuses mines de cobalt, la Chine contrôle 70% de la capacité de conversion du minerai de cobalt en produits chimiques au cobalt pour l’industrie des batteries, ce qui leur donne un contrôle supplémentaire de la chaîne d’approvisionnement.
Comme beaucoup de ces minéraux critiques, le lithium est confronté aux mêmes défis. Bien qu’abondant, le lithium est difficile à extraire et à traiter. La plupart des mines de lithium sont concentrées en Amérique latine et en Australie, tandis que la Chine contrôle la majeure partie de la capacité de traitement; l’Australie possède à elle seule cinq des dix plus grands gisements de lithium au monde, et plus de 60% du traitement du lithium se fait en Chine.10,11 La production de produits chimiques et de produits finis au lithium couvre des pays comme la Chine, le Japon et la Corée du Sud. Même lorsque vous négociez avec des alliés, la chaîne d’approvisionnement en lithium est véritablement mondiale. américain. la capacité de fabriquer des batteries dépend de facteurs indépendants de sa volonté — les prix commerciaux mondiaux, les capacités d’extraction et de traitement à l’étranger, ou même une pandémie qui limite le commerce international. Alors que les États-Unis cherchent à ramener la production de minéraux plus critiques à la maison, traçons le lithium du sol dans nos poches comme étude de cas.
Creuser plus profondément
Le lithium est extrait de différentes sources: saumure et roche dure, avec d’autres comme l’argile en cours d’exploration. Environ la moitié du lithium mondial provient de la saumure souterraine, une eau riche en sel de lithium. La saumure souterraine est le plus souvent extraite en Amérique du Sud. L’accès à ce lithium implique de pomper l’eau à la surface et de la laisser reposer dans d’immenses étangs pendant des mois ou des années jusqu’à ce que la concentration en lithium soit suffisamment élevée. Le lithium peut également être extrait de roche dure dans le sol dans une mine traditionnelle. Ces minéraux sont la façon dont la plupart du lithium est obtenu en Australie et était la source de lithium la plus importante avant la découverte des réserves de lithium sud-américaines.12 Chacun de ces types d’exploitation minière est confronté à des problèmes environnementaux: la saumure pour son utilisation de l’eau et son empreinte, et les mines traditionnelles pour leur empreinte et le lessivage des produits chimiques.13
Une fois sorti du sol, le composé de lithium doit être transformé en un produit utilisable. Les produits chimiques au lithium, et non le lithium seul, sont utilisés dans les batteries et autres produits. Cela signifie que le lithium est transformé d’un composé en un autre qui peut être utilisé.14 Ces installations de traitement sont hautement spécialisées, car différents clients ont besoin de composés avec des compositions et des puretés spécifiques.15 Les procédés sont également très énergivores, ce qui ajoute une empreinte carbone intégrée lorsque les installations de traitement sont situées dans des pays à émission élevée. La plupart des installations de traitement du lithium se trouvent en Chine, qui a produit plus de 60% du lithium mondial en avril 2019.16 Cela signifie que la chaîne d’approvisionnement d’une batterie au lithium dépend vraiment du commerce mondial, même si l’usine de fabrication de la batterie elle-même se trouve aux États-Unis.
Un élément surprenant de cette chaîne d’approvisionnement vient de la fabrication de la batterie, bien que le traitement du lithium soit confronté à des préoccupations similaires. La fabrication d’une batterie lithium-ion est également un processus de fabrication énergivore. Souvent, cette énergie provient de sources émettrices de carbone, et lorsqu’elle le fait, cette énergie représente la moitié de l’empreinte carbone d’une batterie lithium-ion. Le transport prend également en compte; l’expédition du lithium du Chili vers la Chine vers le Japon ou la Corée du Sud ajoute une empreinte de gaz à effet de serre non négligeable; le simple transport de cellules de batterie terminées de la Corée du Sud vers le Michigan ajoute une empreinte de 4,1 kg de CO2e / kWh.17
Maintenant que nous avons les pièces en place, regardons une batterie lithium-ion qui a été à l’honneur: cela dans une voiture Tesla, dont l’itération semi-camion a récemment été retardée en raison de contraintes de production de batteries. Une voiture électrique a besoin d’une énorme quantité de lithium; la batterie d’une Tesla Model S a besoin de 140 livres de lithium, la quantité de 10 000 téléphones portables.18 Tesla s’approvisionne en lithium dans les mines australiennes de Kidman Resources, une mine de roche dure; la société s’est récemment associée à SQM, une entreprise chilienne, pour développer le mont. Projet Holland Lithium en Australie occidentale pour augmenter la capacité minière de Tesla. La roche est ensuite envoyée au lithium chinois Ganfeng pour être transformée en hydroxyde de lithium, le produit chimique utilisé par Tesla dans ses batteries. Ce produit chimique est envoyé aux usines de fabrication de Tesla à New York, au Nevada, en Californie et à Shanghai pour être transformé en batterie. Ainsi, même si de nombreux véhicules électriques modèle 3 sont fabriqués à Fremont, en Californie, cette fabrication repose sur un réseau d’entreprises, de processus et de chaînes qui font le tour du monde. Même la Gigafactory à énergie solaire prévue par Tesla, déjà l’usine de batteries au volume le plus élevé au monde, n’apporte que cet élément de fabrication final de la chaîne d’approvisionnement des batteries aux États-Unis.
Ce qui rend ce processus plus compliqué, c’est que chaque étape – l’extraction, la transformation et enfin l’utilisation finale de la fabrication – est intrinsèquement liée à la demande à la fin de la chaîne d’approvisionnement. MT. Le projet Holland dépend de Tesla qui veut plus de batteries. La chimie des batteries est fragile, ce qui signifie qu’une mine de lithium et une installation de traitement doivent être en mesure de produire de manière fiable des produits chimiques au lithium cohérents; un projet visant à produire plus de lithium est donc piloté par un repreneur. Le prix du lithium dépend du marché mondial, ce qui signifie que le risque de se lancer dans un nouveau projet sans client en tête est insurmontable.19 Cela peut créer un problème de poule et d’œuf: il est presque impossible de construire une mine sans un partenaire de décollage, et il est difficile d’obtenir un tel accord sans d’abord établir des capacités à l’échelle commerciale.20
Si les États-Unis veut permettre une chaîne d’approvisionnement nationale en lithium, elle a donc de nombreuses étapes et processus différents à mettre en place, ainsi que des facteurs de fabrication, environnementaux et économiques à affronter. Heureusement, la forte demande liée à la croissance fulgurante des véhicules électriques, un potentiel géologique important et une main-d’œuvre expérimentée dans le secteur manufacturier donnent aux États-Unis un terrain fertile sur lequel construire. Maintenant que nous comprenons le processus derrière une batterie lithium-ion, revenons aux États-Unis
Capacités américaines actuelles
Actuellement, les États-Unis ont des capacités faibles mais des promesses élevées: des gisements de lithium importants mais seulement une poignée d’opérations. Une entreprise américaine, Albemarle, possède des installations en Caroline du Nord, au Tennessee et au Nevada. Aujourd’hui, le site d’Albemarle au Nevada est la seule mine de lithium active aux États-Unis, extrayant du lithium de la saumure à l’aide de bassins d’évaporation. La société a également exploité historiquement du hard rock sur son site de Caroline du Nord; Albemarle exploite actuellement une usine de conversion chimique en Caroline du Nord et étudie la possibilité de redémarrer l’exploitation minière en Caroline du Nord.21 De plus, la société canadienne Lithium Americas développe le projet Thacker Pass, qui sera la deuxième plus grande mine de lithium au monde lors de sa mise en service. Le projet devrait commencer sa production en 2022 et utilisera une méthode à ciel ouvert pour extraire de l’argile.22
L’innovation américaine au travail
Les États-Unis ont le potentiel de développer davantage la chaîne d’approvisionnement en lithium. Aujourd’hui, il existe plusieurs projets en développement qui non seulement augmentent la production de lithium aux États-Unis, mais trouvent des moyens plus écologiques et économiques de le faire. Leur diversité géographique et technique donne un large éventail d’exemples pour une future chaîne d’approvisionnement en lithium aux États-Unis.
Au champ géothermique de Salton Sea en Californie, Controlled Thermal Resources tente de tuer deux oiseaux avec une pierre: produire de l’énergie à partir de la chaleur géothermique tout en extrayant du lithium de sa saumure. Les centrales géothermiques classiques génèrent de la chaleur à partir de réservoirs d’eau chaude près de la surface; lorsque cette saumure présente des concentrations importantes de lithium, ce lithium pourrait hypothétiquement être extrait comme de toute autre saumure de lithium. Cette technique est appelée extraction directe du lithium. L’un des principaux avantages de cette méthode est son empreinte environnementale: elle utilise moins d’espace et moins d’eau que l’extraction traditionnelle de la saumure, est en boucle fermée en renvoyant la saumure à sa source et est alimentée par de l’énergie renouvelable sur place. Le processus extrait également le lithium en heures, pas en mois.23 En concevant le système à partir de zéro pour intégrer l’extraction du lithium, dans une zone où les concentrations de lithium sont extrêmement élevées, Controlled Thermal Resources espère créer une source nationale de carbonate de lithium d’ici 2023 pour la fabrication de véhicules électriques.24
Dans le centre-sud de l’Arkansas, la société canadienne Standard Lithium procède à l’extraction directe du lithium dans les infrastructures existantes en partenariat avec la société chimique allemande Lanxess. Actuellement, le projet Lanxess couvre 150 000 acres et 10 000 baux pour extraire la saumure, qui est ensuite acheminée vers trois usines de transformation pour extraire le brome. En 2019, Standard Lithium a commencé à explorer l’extraction du lithium de la saumure avant sa réinjection dans le sol. Dans le sud-ouest de l’État, Standard Lithium s’associe à Tetra Technologies pour explorer l’extraction du lithium de la saumure usée de la production de pétrole et de gaz. Comme le projet Salton Sea, ces projets utiliseraient un système en boucle fermée qui réduit à la fois l’impact environnemental et le temps du processus d’extraction du lithium.25 Ces projets offrent également des économies de coûts potentiellement énormes en puisant dans l’infrastructure existante, offrant un moyen à moindre coût d’obtenir du lithium aux États-Unis.
Certains cherchent à innover encore plus. Des scientifiques de l’Université du Texas à Austin ont récemment mis au point une nouvelle technique de filtration qui pourrait réduire considérablement le temps nécessaire pour extraire le lithium de la saumure. Lors des tests, le taux de récupération du lithium peut atteindre 90%, ce qui signifie une récupération plus efficace des ressources et une meilleure empreinte environnementale pour l’extraction du lithium.26 Alors que les États-Unis cherchent non seulement à assurer un approvisionnement national en minéraux essentiels, mais aussi à améliorer le processus d’extraction du lithium, ces progrès reposeront sur des innovateurs clés comme ceux-ci.
Pour certains des autres minéraux critiques, une autre solution pourrait être trouvée au fond de l’océan près des côtes américaines. Le potentiel de l’exploitation minière en haute mer pourrait offrir des rendements minéraux plus élevés et des déchets beaucoup moins toxiques que l’exploitation minière traditionnelle de minéraux critiques. La multinationale DeepGreen a exploré l’extraction en haute mer de « nodules polymétalliques » contenant du nickel, du manganèse et du cobalt, qui agissent tous comme une cathode dans la configuration de batterie de véhicule électrique la plus courante, comme mentionné précédemment.27 Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) s’est également penché sur ce processus pour aider les parties prenantes à le développer.28 minéraux des eaux profondes pourraient aider à l’échelle du déploiement de la batterie à mesure que notre soif de tout ce qui est chargé électriquement grandit.
Politique intérieure
Compte tenu des défis existants dans la chaîne d’approvisionnement et de la faim mondiale de batteries, U.S. Les décideurs ont cherché des moyens d’encourager le développement national de chaînes d’approvisionnement minérales critiques. À ce jour, la plus grande initiative visant à stimuler la production nationale de minéraux essentiels est le Grand Défi du stockage de l’énergie du Ministère de l’Énergie. De manière générale, le Défi vise à innover, produire et déployer des solutions de stockage d’énergie entièrement aux États-Unis afin de disposer d’un portefeuille de stockage robuste d’ici 2030. Une partie importante de cet effort est axée sur la sécurisation d’une chaîne d’approvisionnement de fabrication nationale pour les minéraux critiques, impliquant des avancées technologiques, une intensification de l’innovation et un approvisionnement fiable en matériaux.29 Pour atteindre cet objectif, il faudra explorer en détail les capacités des États-Unis et développer une grande partie de la chaîne d’approvisionnement.
Sur le plan législatif, le bipartisan American Mineral Security Act (S.1317) a été introduit en 2019 et fait actuellement partie de l’American Energy Innovation Act. Le projet de loi ordonne au gouvernement fédéral de développer des outils pour mieux évaluer les gisements minéraux aux États-Unis. Il autorise également la recherche et le développement pour le traitement et le recyclage des minéraux critiques.30 Un programme réussi pour la production de minéraux aux États-Unis repose sur des informations précises; ce projet de loi pourrait fournir les bases nécessaires aux efforts futurs de production de minéraux.
De portée plus ciblée, la Loi sur le MINERAI du sénateur Ted Cruz (S.3694) vise à réduire la dépendance vis-à-vis de la Chine en renforçant la production américaine de minéraux de terres rares. Le projet de loi comprend des déductions fiscales pour le coût de la construction de mines de terres rares et des incitations du côté de la demande à utiliser des minéraux produits au pays.31 À partir de 2019, la loi RE-Coop 21st Century Manufacturing Act (S.2093) du sénateur Marco Rubio autoriserait un organisme de coordination à superviser le développement d’une chaîne d’approvisionnement intégrée en terres rares. Plus de 80% des éléments de terres rares sont importés de Chine — même les minéraux extraits dans le col de montagne de la Californie sont expédiés en Chine pour traitement — de sorte que ramener la chaîne d’approvisionnement à la maison pourrait réduire la dépendance vis-à-vis de la Chine.32,33
Aux États-Unis Les représentants de la Chambre des représentants Michael Waltz (R-FL) et Paul Gosar (R-AZ) ont récemment présenté l’American Critical Mineral Exploration and Innovation Act of 2020 (H.R.7061), qui établit un cadre pour étendre la sécurité minérale critique. Pour ce faire, le projet de loi transversal prévoit une évaluation élargie des ressources, de la recherche et du développement dans le domaine des technologies de pointe en minéraux essentiels et des initiatives de développement de la main-d’œuvre. L’observation de la sécurité des minéraux essentiels du sol à l’industrie aide à jeter les bases d’un réalignement de la politique des minéraux essentiels des États-Unis qui encourage une chaîne d’approvisionnement nationale.
Une autre option pour réduire la dépendance à la Chine est le recyclage. Aujourd’hui, moins de 5% des batteries lithium-ion sont recyclées, principalement parce que le processus est peu attrayant: il consomme beaucoup d’énergie, produit des sous-produits toxiques et peine à récupérer une quantité importante de lithium. Une seule entreprise américaine, Retriev Technologies Inc.34,35 recycle des batteries au lithium métal et au lithium-ion dans ses installations de la Colombie-Britannique et de Lancaster, en Ohio., La Loi de 2020 sur le recyclage des piles et des Minéraux Critiques (Art.3356) et le Prix de recyclage des batteries Lithium-Ion 2019 du Département de l’Énergie visent à améliorer le recyclage R & D et à encourager la création de centres de recyclage domestiques.36,37
Petite batterie, gros impact
La chaîne d’approvisionnement du lithium et d’autres minéraux critiques, une partie physiquement minuscule du stockage d’énergie et des véhicules électriques, est immense et complexe. Il touche à des questions géopolitiques, environnementales et économiques qui échappent actuellement au contrôle direct des États-Unis. Les composants pour construire une chaîne d’approvisionnement réussie pour le lithium américain et le stockage d’énergie existent: des réserves de lithium, une main-d’œuvre compétente, une demande intérieure et une puissance économique. Pourtant, pour réussir à relier ces composants, les États-Unis doivent s’attaquer stratégiquement au réseau de facteurs auxquels une batterie est confrontée lors de son voyage autour du globe et dans votre poche.