Posted on June 11, 2020 by Cameron Tarry and Faith Martinez-Smith
Introduzione
Sei a conoscenza di quanti minuti passi sul tuo telefono ogni settimana? In media, gli adulti trascorrono più di 3 ore al giorno su uno smartphone, ma hai mai fatto una pausa per pensare a cosa è fatto il tuo cellulare? Certo c’è una copertura in vetro, un po ‘ di metallo e plastica, ma per quanto riguarda la batteria?
I telefoni cellulari pesano ~ 7 once e la batteria è 1/5 di quella.1 La maggior parte dei telefoni si basano su una batteria agli ioni di litio, che utilizza meno di un grammo (3/100ths di oncia) di litio come il “mezzo” per lo stoccaggio di energia.2 Come il litio crea ioni fluiscono tra anodo e catodo per creare una carica. Piuttosto fresco, destra!
Ma, per quella piccola traccia di litio abbiamo bisogno di essere in grado di testo Mamma, la catena di approvvigionamento per farlo è davvero complicato.
Le batterie agli ioni di litio non sono solo nei nostri telefoni, ma sono in realtà al centro della nostra transizione energetica pulita. Altri materiali come la grafite che viene utilizzata anche nelle batterie; e il tellurio, utilizzato nelle celle solari di prossima generazione sono importanti, ma il litio sta sicuramente guidando il mercato dello stoccaggio delle batterie. Praticamente tutto — dal telefono, ai veicoli elettrici, alle soluzioni di storage utility-scala – sta trovando applicazioni per il litio.3
Forse hai letto della nuova batteria agli ioni di litio su cui Tesla sta lavorando con il produttore di batterie cinese Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) che si dice duri per più di 1 milione di miglia e avrebbe un impatto tremante sulla tecnologia delle batterie.4 Ma c’è una domanda enorme: da dove viene il litio e altri materiali critici provengono? Oggi, la risposta è-non gli Stati Uniti
La sicurezza nazionale degli Stati Uniti è indebolita se la capacità di costruire negli Stati Uniti dipende da materiali e scambi di gran lunga al di fuori del controllo degli Stati Uniti.
Critico, ma non domestico
Nel 2018 il Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti ha pubblicato un elenco di 35 minerali critici: minerali che sono “critici per la sicurezza economica e nazionale degli Stati Uniti.”5 Questi minerali sono essenziali per il funzionamento di settori chiave come l’aerospaziale, la difesa, l’energia, l’elettronica e i trasporti, ma hanno catene di approvvigionamento facili da interrompere.6 Per prima cosa, questi minerali possono essere trovati nella crosta terrestre, ma vengono estratti o lavorati solo in luoghi geografici concentrati. Componenti di alcune batterie agli ioni di litio, come grafite, litio, cobalto e manganese, sono in questa lista pure.
Gli Stati Uniti importano la maggior parte di questi minerali critici in quantità variabili. Sebbene gli Stati Uniti siano leader nella produzione di berillio ed elio, si basa interamente sulle importazioni di 14 dei minerali, tra cui la bauxite, la fonte primaria di alluminio, e il tantalio, che è un condensatore in alcuni componenti elettronici. Al contrario, la Cina è di gran lunga il principale produttore di minerali critici, dominando la produzione di 16 di essi.7
La Cina è il principale produttore di minerali critici mentre gli Stati Uniti ne importano 14
E allora? Diamo un’occhiata alle batterie come esempio. Molte batterie agli ioni di litio utilizzano cobalto nel loro catodo. Nonostante sia così ampiamente utilizzato, oltre il 90% del cobalto viene prodotto come sottoprodotto dell’estrazione di altre risorse, rendendo la sua produzione dipendente da fattori oltre alla domanda di batterie. Inoltre, oltre il 65% della produzione globale è concentrata nella Repubblica Democratica del Congo, un paese in cui le Nazioni Unite mantengono ancora una presenza di pace.8,9 Quindi non solo il mondo dipende da un paese per il suo approvvigionamento, ma tale approvvigionamento potrebbe essere facilmente interrotto da un evento geograficamente specifico o non correlato. Sebbene sia solo un investitore in molte miniere di cobalto, la Cina controlla il 70% della capacità di convertire il minerale di cobalto in prodotti chimici di cobalto per l’industria delle batterie, dando loro un ulteriore controllo della catena di approvvigionamento.
Come molti di questi minerali critici, il litio affronta le stesse sfide. Anche se abbondante, il litio è difficile da estrarre ed elaborare. La maggior parte delle miniere di litio è concentrata in America Latina e Australia, mentre la Cina controlla la maggior parte delle capacità di elaborazione; solo l’Australia vanta cinque dei dieci più grandi depositi di litio al mondo e oltre il 60% della lavorazione del litio avviene in Cina.10,11 La produzione di prodotti chimici e prodotti finiti al litio si estende in paesi come Cina, Giappone e Corea del Sud. Anche quando si commercia con gli alleati, la catena di fornitura del litio è veramente globale. Uniti. la capacità di produrre batterie si basa su fattori al di fuori del suo controllo: prezzi di trading globali, capacità di estrazione e lavorazione straniere o persino una pandemia che limita il commercio internazionale. Mentre gli Stati Uniti cercano di portare a casa la produzione di minerali più critici, tracciamo il litio da terra alle nostre tasche come caso di studio.
Scavando più in profondità
Il litio viene estratto da diverse fonti: salamoia e roccia dura, con altri come l’argilla in esplorazione. Circa la metà del litio del mondo proviene da acque sotterranee salamoia, acqua ricca di sale di litio. La salamoia delle acque sotterranee è più comunemente estratta in Sud America. L’accesso a questo litio comporta pompare l’acqua in superficie e lasciarla sedere in enormi stagni per mesi o anni fino a quando la concentrazione di litio è abbastanza alta. Il litio può anche essere estratto dalla roccia dura nel terreno in una miniera tradizionale. Questi minerali sono il modo in cui la maggior parte del litio si ottiene in Australia ed era la fonte più importante di litio prima della scoperta delle riserve di litio sudamericane.12 Ciascuno di questi tipi di attività minerarie affronta problemi ambientali: salamoia per il suo uso di acqua e impronta, e miniere tradizionali per la loro impronta e lisciviazione di sostanze chimiche.13
Dopo che è fuori dal terreno, il composto di litio deve essere trasformato in un prodotto utilizzabile. Le sostanze chimiche al litio, non al litio da solo, sono utilizzate nelle batterie e in altri prodotti. Ciò significa che il litio viene elaborato da un composto in un altro che può essere utilizzato.14 Queste strutture di lavorazione sono altamente specializzate, in quanto diversi clienti richiedono composti con composizioni e purezze specifiche.15 I processi sono anche ad alta intensità energetica, aggiungendo un’impronta di carbonio incorporata quando gli impianti di lavorazione sono situati in paesi ad alto rendimento. La maggior parte degli impianti di lavorazione del litio si trova in Cina, che ha prodotto oltre il 60% del litio mondiale nell’aprile 2019.16 Ciò significa che la catena di fornitura di una batteria al litio dipende veramente dal commercio globale, anche se l’impianto di produzione per la batteria stessa è negli Stati Uniti.
Un elemento sorprendente di questa catena di fornitura viene fornito con la produzione della batteria, anche se l’elaborazione del litio affronta preoccupazioni simili. Fare una batteria agli ioni di litio è un processo di produzione ad alta intensità energetica pure. Spesso questa energia proviene da fonti che emettono carbonio e, quando lo fa, quell’energia rappresenta la metà dell’impronta di carbonio di una batteria agli ioni di litio. Trasporto anche fattori in; spedizione di litio dal Cile alla Cina al Giappone o Corea del Sud aggiunge un non-insignificante impronta di gas serra; solo il trasporto completato celle della batteria dalla Corea del Sud al Michigan aggiunge un 4.1 kg CO2e/kWh impronta.17
Ora abbiamo i pezzi a posto, diamo un’occhiata a una batteria agli ioni di litio che è stata sotto i riflettori: che in una macchina Tesla, l’iterazione del camion semi di cui è stato recentemente ritardato a causa di vincoli di produzione della batteria. Un’auto elettrica ha bisogno di una massiccia quantità di litio; il pacco batteria in una Tesla Model S ha bisogno di 140 chili di litio, l’importo in 10.000 telefoni cellulari.18 Tesla sources lithium from Australia’s Kidman Resources Mines, a hard rock mine; la società ha recentemente collaborato con SQM, una società cilena, per sviluppare il Monte. Holland Lithium Project in Australia occidentale per aggiungere più capacità mineraria per Tesla. La roccia viene poi inviato al litio Ganfeng della Cina per la trasformazione in idrossido di litio, la sostanza chimica Tesla utilizza nelle sue batterie. Quella sostanza chimica viene inviata agli impianti di produzione di Tesla a New York, Nevada, California e Shanghai per essere trasformata in una batteria. Quindi, anche se molti veicoli elettrici Modello 3 sono fabbricati a Fremont, CA, quella produzione si basa su una rete di aziende, processi e catene che circondano il mondo. Anche la Gigafactory a energia solare progettata da Tesla, già la fabbrica di batterie con il più alto volume al mondo, porta solo negli Stati Uniti l’elemento di produzione finale della catena di fornitura della batteria.
Rendere questo processo più complicato è che ogni fase – estrazione, lavorazione e infine utilizzo finale della produzione – è intrinsecamente legata alla domanda alla fine della supply chain. Il Monte. Il progetto Holland dipende da Tesla che vuole più batterie. La chimica della batteria è fragile, il che significa che una miniera di litio e un impianto di lavorazione devono essere in grado di produrre in modo affidabile sostanze chimiche al litio coerenti; un progetto per produrre più litio è quindi guidato da avere un off-taker. Il prezzo del litio dipende dal mercato globale, il che significa che il rischio di intraprendere un nuovo progetto senza un cliente in mente è insormontabile.19 Questo può creare un problema di pollo e uova:è quasi impossibile costruire una miniera senza un partner off-take, ed è difficile ottenere un tale accordo senza prima stabilire capacità su scala commerciale.20
Se gli Stati Uniti vuole consentire una catena di approvvigionamento del litio nazionale, ha quindi molte fasi e processi diversi da costruire, oltre a fattori produttivi, ambientali ed economici da affrontare. Fortunatamente, l’elevata domanda derivante dalla crescita esplosiva dei veicoli elettrici, il serio potenziale geologico e una forza lavoro esperta nella produzione danno agli Stati Uniti un terreno fertile su cui costruire. Ora capiamo il processo dietro una batteria agli ioni di litio, torniamo agli Stati Uniti
Attuali capacità degli Stati Uniti
Attualmente, gli Stati Uniti hanno capacità basse ma alta promessa: depositi di litio significativi ma solo una manciata di operazioni. Una società statunitense, Albemarle, ha strutture in North Carolina, Tennessee e Nevada. Oggi il sito di Albemarle in Nevada è l’unica miniera di litio attiva negli Stati Uniti, estraendo il litio dalla salamoia utilizzando stagni di evaporazione. La società ha anche storicamente estratto hard rock nel suo sito in North Carolina; Albemarle attualmente gestisce un impianto di conversione chimica in North Carolina e sta studiando il potenziale per riavviare l’operazione mineraria in North Carolina.21 Inoltre, la società canadese Lithium Americas sta sviluppando il progetto Thacker Pass, che sarà la seconda miniera di litio più grande del mondo al momento della messa in servizio. Il progetto inizierà la produzione nel 2022 e utilizzerà un metodo a cielo aperto per estrarre l’argilla.22
U. S. Innovation At Work
Gli Stati Uniti sono maturi per sviluppare maggiormente la catena di approvvigionamento del litio. Oggi ci sono diversi progetti in fase di sviluppo che non solo espandono la produzione di litio negli Stati Uniti, ma trovano modi più ecologici ed economici per farlo. La loro diversità geografica e tecnica offre una vasta gamma di esempi per una futura catena di fornitura di litio negli Stati Uniti.
Al campo geotermico di Salton Sea in California, Controlled Thermal Resources sta cercando di prendere due piccioni con una fava: generare energia dal calore geotermico mentre estrae il litio dalla sua salamoia. Gli impianti geotermici convenzionali generano calore da serbatoi di acqua calda vicino alla superficie; quando questa salamoia ha concentrazioni significative di litio, quel litio potrebbe ipoteticamente essere estratto come da qualsiasi altra salamoia di litio. Questa tecnica è chiamata estrazione diretta del litio. Un vantaggio principale di questo metodo è la sua impronta ambientale: utilizza meno spazio e meno acqua rispetto all’estrazione tradizionale della salamoia, è a circuito chiuso restituendo la salamoia alla sua fonte ed è alimentato da energia rinnovabile in loco. Il processo estrae anche il litio in ore, non mesi.23 Progettando il sistema da zero per incorporare l’estrazione del litio, in un’area con concentrazioni di litio estremamente elevate, Controlled Thermal Resources spera di creare una fonte domestica di carbonato di litio entro il 2023 per la produzione di veicoli elettrici.24
Nell’Arkansas centro-meridionale, la società canadese Standard Lithium sta portando l’estrazione diretta del litio alle infrastrutture esistenti in collaborazione con la società chimica tedesca Lanxess. Attualmente il progetto Lanxess copre 150.000 acri e 10.000 locazioni per estrarre la salamoia, che viene poi convogliata in tre impianti di lavorazione per estrarre il bromo. Nel 2019, Standard Lithium ha iniziato ad esplorare l’estrazione del litio dalla salamoia prima della sua reiniezione nel terreno. Nel sud-ovest dello stato, Standard Lithium sta collaborando con Tetra Technologies per esplorare l’estrazione del litio dalla salamoia di scarto dalla produzione di petrolio e gas. Come il progetto Salton Sea, questi progetti utilizzerebbero un sistema a circuito chiuso che riduce sia l’impatto ambientale che i tempi del processo di estrazione del litio.25 Questi progetti offrono anche potenzialmente enormi risparmi sui costi attingendo alle infrastrutture esistenti, fornendo un modo più economico per ottenere il litio negli Stati Uniti.
Alcuni stanno cercando di innovare ancora di più. Gli scienziati dell’Università del Texas ad Austin hanno recentemente sviluppato una nuova tecnica di filtrazione che potrebbe ridurre significativamente il tempo necessario per estrarre il litio dalla salamoia. Nei test, il tasso di recupero del litio è fino al 90%; ciò significa un recupero delle risorse più efficiente e una migliore impronta ambientale per l’estrazione del litio.26 Poiché gli Stati Uniti cercano non solo di garantire un approvvigionamento di minerali critico a livello nazionale, ma anche di migliorare il processo di estrazione del litio, tali progressi si baseranno su innovatori chiave come questi.
Per alcuni degli altri minerali critici, un’altra soluzione potrebbe essere trovata sul fondo dell’oceano vicino alle coste degli Stati Uniti. Il potenziale delle miniere di acque profonde potrebbe offrire rese minerali più elevate e rifiuti molto meno tossici rispetto alle tradizionali miniere di minerali critici. La multinazionale DeepGreen ha esplorato l’estrazione in acque profonde di “noduli polimetallici” contenenti nichel, manganese e cobalto, che fungono tutti da catodo nella configurazione della batteria dei veicoli elettrici più comune, come accennato.27 Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha anche esaminato questo processo per aiutare le parti interessate a sviluppare il processo.28 Deep sea minerals potrebbe aiutare nella scala di distribuzione della batteria come la nostra fame di tutto elettricamente carica cresce.
Politica interna
Date le sfide esistenti nella catena di approvvigionamento e la fame globale per le batterie, U.S. i responsabili politici hanno cercato modi per incentivare lo sviluppo interno di catene di approvvigionamento minerarie critiche. Ad oggi, la più grande iniziativa per stimolare la produzione nazionale di minerali critici è la grande sfida del Department of Energy Storage. In linea di massima, la Sfida mira a innovare, produrre e distribuire soluzioni di accumulo di energia interamente negli Stati Uniti al fine di possedere un portafoglio di stoccaggio robusto entro il 2030. Una parte significativa di questo sforzo si concentra sulla sicurezza di una catena di approvvigionamento di produzione nazionale per i minerali critici, che coinvolge i progressi tecnologici, la scalabilità dell’innovazione e l’approvvigionamento affidabile dei materiali.29 Il raggiungimento di questo obiettivo richiederà un’esplorazione dettagliata delle capacità degli Stati Uniti e lo sviluppo in gran parte della catena di approvvigionamento.
Sul fronte legislativo, il bipartisan American Mineral Security Act (S. 1317) è stato introdotto in 2019 ed è attualmente parte dell’American Energy Innovation Act. Il disegno di legge dirige il governo federale a sviluppare strumenti per valutare meglio i depositi minerari negli Stati Uniti. Autorizza inoltre la ricerca e lo sviluppo per la lavorazione e il riciclaggio di minerali critici.30 Un programma di successo per la produzione di minerali degli Stati Uniti si basa su informazioni accurate; questo disegno di legge potrebbe fornire quel fondamento necessario per i futuri sforzi di produzione minerale.
Più mirato nel campo di applicazione, il MINERALE Act del senatore Ted Cruz (S. 3694) mira a ridurre la dipendenza dalla Cina rafforzando la produzione statunitense di minerali delle terre rare. Il disegno di legge include detrazioni fiscali per il costo della costruzione di miniere di terre rare e incentivi sul lato della domanda per utilizzare minerali di produzione nazionale.31 Da 2019, RE-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) del senatore Marco Rubio autorizzerebbe un organismo di coordinamento a supervisionare lo sviluppo di una catena di fornitura integrata di terre rare. Oltre l ‘ 80% degli elementi delle terre rare sono importati dalla Cina — anche i minerali estratti nel passo di montagna della California vengono spediti in Cina per la lavorazione — quindi portare a casa la catena di approvvigionamento potrebbe ridurre la dipendenza dalla Cina.32,33
Negli Stati Uniti La Camera dei Rappresentanti, i rappresentanti Michael Waltz (R-FL) e Paul Gosar (R-AZ) hanno recentemente introdotto l’American Critical Mineral Exploration and Innovation Act del 2020 (HR 7061), che stabilisce un quadro per l’espansione della sicurezza minerale critica. Il disegno di legge trasversale fa questo attraverso la valutazione delle risorse espanse, ricerca e sviluppo in tecnologie avanzate minerali critici, e le iniziative di sviluppo della forza lavoro. La visione della sicurezza dei minerali critici da terra all’industria aiuta a gettare le basi per un riallineamento della politica dei minerali critici degli Stati Uniti che incoraggia una catena di approvvigionamento nazionale.
Un’altra opzione per ridurre la dipendenza dalla Cina è il riciclaggio. Oggi, meno del 5% delle batterie agli ioni di litio viene riciclato, principalmente perché il processo non è attraente: è ad alta intensità energetica, produce sottoprodotti tossici e fatica a recuperare una quantità significativa di materiale al litio. Solo una società statunitense, Retriev Technologies Inc.34,35 ricicla batterie al litio metallico e agli ioni di litio nelle sue strutture in British Columbia e Lancaster, Ohio., La batteria e minerale critico Recycling Act di 2020 (S.3356) e il Premio per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio del Dipartimento dell’Energia del 2019 mirano a migliorare il riciclaggio R&D e incentivare la creazione di centri di riciclaggio domestici.36,37
Piccola batteria, grande impatto
La catena di fornitura per il litio e altri minerali critici, una parte fisicamente minuscola dello stoccaggio di energia e dei veicoli elettrici, è immensa e complessa. Tocca questioni geopolitiche, ambientali ed economiche che attualmente si trovano al di fuori del controllo diretto degli Stati Uniti. I componenti per costruire una catena di approvvigionamento di successo per il litio americano e lo stoccaggio di energia esistono: riserve di litio, una forza lavoro capace, domanda interna e potere economico. Tuttavia, per collegare con successo questi componenti, gli Stati Uniti devono affrontare strategicamente la rete di fattori che una batteria deve affrontare nel suo viaggio in tutto il mondo e in tasca.