opublikowano Czerwiec 11, 2020 przez Cameron Tarry i Faith Martinez-Smith
wprowadzenie
Czy wiesz, ile minut spędzasz na telefonie każdego tygodnia? Średnio dorośli spędzają więcej niż 3 godziny dziennie na smartfonie, ale czy kiedykolwiek zatrzymałeś się, aby pomyśleć o tym, z czego zbudowany jest Twój telefon komórkowy? Jasne, że jest szklana pokrywa, trochę metalu i plastiku, ale co z baterią?
telefony komórkowe ważą ~7 uncji, a bateria to 1/5 tego.1 Większość telefonów opiera się na baterii litowo-jonowej, która zużywa mniej niż jeden gram (3/100 uncji) litu jako „medium” do magazynowania energii.2 gdy lit tworzy jony, przepływają one między anodą a katodą, tworząc ładunek. Całkiem fajne, prawda!
ale dla tego małego śladu litu musimy być w stanie napisać do mamy, łańcuch dostaw, aby go uzyskać, jest naprawdę skomplikowany.
baterie litowo-jonowe są nie tylko w naszych telefonach — w rzeczywistości są w centrum naszej czystej transformacji energetycznej. Inne materiały, takie jak grafit, który jest również stosowany w bateriach; i tellur, stosowany w ogniwach słonecznych nowej generacji są ważne, ale lit zdecydowanie napędza rynek magazynowania baterii. Praktycznie wszystko-od telefonu, przez pojazdy elektryczne, po rozwiązania do przechowywania na skalę przemysłową — znajduje zastosowania dla litu.3
być może czytałeś o nowej baterii litowo-jonowej, nad którą Tesla pracuje z chińskim producentem baterii Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) mówi się, że trwa ponad 1 milion mil i będzie miał wpływ wstrząsy ziemi na technologię baterii.4 ale jest jedno wielkie pytanie: skąd się bierze LIT i inne krytyczne materiały? Dzisiaj odpowiedź brzmi-nie Stany Zjednoczone
bezpieczeństwo narodowe USA jest osłabione, jeśli zdolność do budowania w Stanach Zjednoczonych zależy od materiałów i wymiany daleko poza kontrolą USA.
krytyczne, ale nie krajowe
w 2018 roku Departament Spraw Wewnętrznych Stanów Zjednoczonych opublikował listę 35 minerałów krytycznych: minerałów, które są „krytyczne dla bezpieczeństwa gospodarczego i narodowego Stanów Zjednoczonych.”5 minerały te są niezbędne do funkcjonowania kluczowych sektorów, takich jak lotnictwo, obrona, energia, Elektronika i transport, ale mają łańcuchy dostaw, które można łatwo zakłócić .6 Po pierwsze, minerały te można znaleźć w skorupie ziemskiej, ale są wydobywane lub przetwarzane tylko w skoncentrowanych lokalizacjach geograficznych. Na tej liście znajdują się również komponenty niektórych akumulatorów litowo-jonowych, takich jak grafit, lit, kobalt i mangan.
USA importują większość tych krytycznych minerałów w różnych ilościach. Chociaż USA jest liderem w produkcji berylu i helu, opiera się wyłącznie na imporcie 14 minerałów, w tym boksytu, głównego źródła aluminium, i tantalu, który jest kondensatorem w niektórych elektronice. Natomiast Chiny są zdecydowanie wiodącym producentem minerałów krytycznych, dominując w produkcji 16 z nich.7
Chiny są wiodącym producentem minerałów krytycznych, podczas gdy USA importuje 14 z nich
i co z tego? Przyjrzyjmy się bateriom jako przykładowi. Wiele baterii litowo-jonowych używa kobaltu w swojej katodzie. Pomimo tak szerokiego zastosowania, ponad 90% kobaltu jest wytwarzany jako produkt uboczny wydobycia innych zasobów, dzięki czemu jego produkcja zależy od czynników oprócz zapotrzebowania na baterie. Co więcej, ponad 65% światowej produkcji koncentruje się w Demokratycznej Republice Konga, kraju, w którym Organizacja Narodów Zjednoczonych nadal utrzymuje pokojową obecność.8,9 tak więc świat nie tylko jest zależny od jednego kraju pod względem dostaw, ale podaż ta może być w praktyce odcięta przez specyficzne geograficznie lub niezwiązane ze sobą wydarzenie. Chociaż Chiny są jedynie inwestorem w wielu kopalniach kobaltu, kontrolują 70% zdolności przetwarzania rudy kobaltu w kobaltowe chemikalia dla przemysłu akumulatorowego, dając im dodatkową kontrolę nad łańcuchem dostaw.
podobnie jak wiele z tych krytycznych minerałów, lit stoi przed tymi samymi wyzwaniami. Chociaż lit jest obfity, trudno go wyodrębnić i przetworzyć. Większość wydobycia litu koncentruje się w Ameryce Łacińskiej i Australii, podczas gdy Chiny kontrolują większość możliwości przetwarzania; sama Australia szczyci się pięcioma z dziesięciu największych złóż litu na świecie, a ponad 60% przetwarzania litu odbywa się w Chinach.10,11 produkcja chemikaliów litowych i produktów końcowych obejmuje kraje takie jak Chiny, Japonia i Korea Południowa. Nawet w przypadku handlu z sojusznikami łańcuch dostaw litu jest prawdziwie globalny. Stany Zjednoczone zdolność do produkcji baterii zależy od czynników pozostających poza jej kontrolą-globalnych cen handlowych, zagranicznych możliwości wydobywania i przetwarzania, a nawet pandemii, która ogranicza handel międzynarodowy. W związku z tym, że Stany Zjednoczone chcą wprowadzić do domu więcej krytycznych minerałów, jako studium przypadku prześledzimy lit z ziemi do naszych kieszeni.
kopanie głębiej
lit wydobywany jest z różnych źródeł: solanki i twardych skał, a inne, takie jak glina, są w trakcie eksploracji. Około połowa litu na świecie pochodzi z solanki gruntowej, wody bogatej w sól litu. Solanka gruntowa jest najczęściej wydobywana w Ameryce Południowej. Dostęp do tego litu polega na wypompowaniu wody na powierzchnię i pozostawieniu jej w ogromnych stawach przez miesiące lub lata, aż stężenie litu będzie wystarczająco wysokie. Lit może być również wydobywany z twardych skał w ziemi w tradycyjnej kopalni. Minerały te są jak najwięcej litu uzyskuje się w Australii i był najważniejszym źródłem litu przed odkryciem zasobów litu w Ameryce Południowej.12 każdy z tych rodzajów górnictwa boryka się z problemami środowiskowymi: solanka ze względu na zużycie wody i ślad, a tradycyjne kopalnie ze względu na ślad i wymywanie chemikaliów.13
po wyjęciu z ziemi związek litu musi zostać przetworzony w użyteczny produkt. Chemikalia litowe, nie tylko lit, są stosowane w bateriach i innych produktach. Oznacza to, że lit jest przetwarzany z jednego związku na inny, który można wykorzystać.14 te zakłady przetwórcze są wysoce wyspecjalizowane, ponieważ różni klienci wymagają związków o specyficznym składzie i czystości.15 procesy są również dość energochłonne, co zwiększa ślad węglowy, gdy zakłady przetwórcze znajdują się w krajach o wysokiej emisji. Większość zakładów przetwórstwa litu znajduje się w Chinach, które w kwietniu 2019 r.wyprodukowały ponad 60% światowego litu.16 oznacza to, że łańcuch dostaw baterii litowej naprawdę zależy od globalnego handlu, nawet jeśli sam zakład produkcyjny baterii znajduje się w Stanach Zjednoczonych.
zaskakującym elementem tego łańcucha dostaw jest produkcja baterii, chociaż przetwarzanie litu napotyka podobne obawy. Produkcja baterii litowo-jonowych jest również energochłonnym procesem produkcyjnym. Często energia ta pochodzi ze źródeł emitujących węgiel, a kiedy tak się dzieje, energia ta stanowi połowę śladu węglowego akumulatora litowo-jonowego. Transport również czynniki w; Wysyłka litu z Chile do Chin do Japonii lub Korei Południowej dodaje niebagatelny ślad gazów cieplarnianych; tylko transport kompletnych ogniw akumulatorowych z Korei Południowej do Michigan dodaje 4,1 kg CO2e/kWh ślad.17
teraz mamy kawałki na miejscu, spójrzmy na jedną baterię litowo-jonową, która była w centrum uwagi: że w samochodzie Tesla, którego iteracja Semi truck została niedawno opóźniona z powodu ograniczeń produkcyjnych baterii. Samochód elektryczny potrzebuje ogromnej ilości litu; akumulator w Tesli Model S potrzebuje 140 funtów litu, ilość w 10 000 telefonów komórkowych.18 Tesla pozyskuje lit z Australijskich kopalni Kidman Resources Mines, kopalni hard rock; firma niedawno nawiązała współpracę z sqm, chilijską firmą, w celu opracowania Mt. Holland Lithium projekt w Australii Zachodniej, aby dodać więcej zdolności wydobywczych dla Tesli. Skała jest następnie wysyłana do chińskiego Ganfeng litu w celu przetworzenia na wodorotlenek litu, który Tesla używa w swoich bateriach. Ta substancja chemiczna jest wysyłana do zakładów produkcyjnych Tesli w Nowym Jorku, Nevadzie, Kalifornii i Szanghaju, aby przekształcić ją w baterię. Mimo że wiele pojazdów elektrycznych Modelu 3 jest produkowanych we Fremont w Kalifornii, produkcja ta opiera się na sieci firm, procesów i łańcuchów, które krążą wokół świata. Nawet planowana przez Teslę Gigafactory zasilana energią słoneczną, która jest już największą fabryką akumulatorów na świecie, przenosi tylko ten końcowy element łańcucha dostaw akumulatorów do Stanów Zjednoczonych.
proces ten jest bardziej skomplikowany, ponieważ każdy etap-wydobycie, przetwarzanie i wreszcie wytwarzanie końcowego zastosowania – jest nieodłącznie związany z popytem na końcu łańcucha dostaw. Góra Projekt Holland polega na tym, że Tesla chce więcej baterii. Chemia baterii jest delikatna, co oznacza, że kopalnia I zakład przetwórczy litu muszą być w stanie niezawodnie produkować spójne chemikalia litowe; projekt produkcji większej ilości litu jest zatem napędzany przez posiadanie off-takera. Cena litu zależy od rynku światowego, co oznacza, że ryzyko rozpoczęcia nowego projektu bez klienta jest nie do pokonania.19 może to stworzyć problem z kurczakiem i jajkiem:prawie niemożliwe jest zbudowanie kopalni bez partnera off-take, i trudno jest uzyskać taką umowę bez uprzedniego ustanowienia możliwości na skalę komercyjną.20
chce umożliwić Krajowy łańcuch dostaw litu, dlatego ma wiele różnych etapów i procesów do zbudowania, a także czynniki produkcyjne, środowiskowe i ekonomiczne, z którymi należy się zmierzyć. Na szczęście, wysoki popyt ze strony wybuchającego wzrostu pojazdów elektrycznych, poważny potencjał geologiczny i doświadczona siła robocza dają USA żyzny grunt, na którym można budować. Teraz rozumiemy proces stojący za baterią litowo-jonową, wróćmy do USA
obecne możliwości USA
obecnie USA mają niskie możliwości, ale obiecują wysokie: znaczne złoża litu, ale tylko kilka operacji. Jedna amerykańska firma, Albemarle, posiada zakłady w Karolinie Północnej, Tennessee i Nevadzie. Dziś Albemarle w stanie Nevada jest jedyną aktywną kopalnią litu w USA, wydobywającą lit z solanki za pomocą stawów odparowujących. Firma również historycznie wydobywała hard rock w swoim zakładzie w Karolinie Północnej; Albemarle obecnie prowadzi zakład konwersji chemicznej w Karolinie Północnej i bada możliwości ponownego uruchomienia operacji wydobywczej w Karolinie Północnej.21 ponadto kanadyjska firma Lithium Americas rozwija projekt Thacker Pass, który po uruchomieniu będzie drugą co do wielkości kopalnią litu na świecie. Projekt ma rozpocząć produkcję w 2022 r.i będzie wykorzystywał metodę odkrywkową do wydobywania gliny.22
U. S. innowacje w pracy
USA są w stanie rozwinąć więcej łańcucha dostaw litu. Obecnie opracowuje się kilka projektów, które nie tylko zwiększają produkcję litu w USA,ale także znajdują bardziej przyjazne dla środowiska i ekonomiczne sposoby na to. Ich różnorodność geograficzna i techniczna daje szeroki zakres przykładów dla przyszłego amerykańskiego łańcucha dostaw litu.
na polu geotermalnym Salton Sea w Kalifornii kontrolowane zasoby cieplne próbują zabić dwa ptaki na jednym ogniu: wytwarzając energię z ciepła geotermalnego, jednocześnie wydobywając lit z solanki. Konwencjonalne elektrownie geotermalne wytwarzają ciepło ze zbiorników gorącej wody w pobliżu powierzchni; gdy solanka ta ma znaczące stężenie litu, lit może być hipotetycznie ekstrahowany jak z każdej innej solanki litowej. Technika ta nazywana jest bezpośrednią ekstrakcją litu. Główną zaletą tej metody jest jej wpływ na środowisko — zużywa mniej miejsca i mniej wody niż tradycyjna ekstrakcja solanki, jest zamknięta w pętli poprzez powrót solanki do źródła i jest zasilana energią odnawialną na miejscu. Proces wydobywa również lit w godzinach, a nie miesiącach.23 projektując system od podstaw w celu włączenia ekstrakcji litu, w obszarze o bardzo wysokich stężeniach litu, kontrolowane zasoby cieplne mają nadzieję stworzyć krajowe źródło węglanu litu przez 2023 do produkcji pojazdów elektrycznych.24
kanadyjska firma Standard Lithium prowadzi bezpośrednią ekstrakcję litu do istniejącej infrastruktury we współpracy z niemiecką firmą chemiczną Lanxess. Obecnie projekt Lanxess obejmuje 150 000 akrów i 10 000 dzierżaw na wydobycie solanki, która jest następnie przesyłana rurociągami do trzech zakładów przetwórczych w celu wydobycia bromu. W 2019 r. Standard Lithium rozpoczął badania nad ekstrakcją litu z solanki przed jego ponownym wstrzyknięciem do ziemi. W południowo-zachodniej części stanu Standard Lithium współpracuje z firmą Tetra Technologies w celu wydobycia litu z solanki odpadowej z produkcji ropy naftowej i gazu. Podobnie jak w przypadku projektu Salton Sea, w tych projektach zastosowano system zamkniętej pętli, który zmniejsza zarówno wpływ na środowisko, jak i czas procesu ekstrakcji litu.25 projekty te oferują również potencjalnie ogromne oszczędności poprzez wykorzystanie istniejącej infrastruktury, zapewniając tańszy sposób na uzyskanie litu w Stanach Zjednoczonych.
niektórzy chcą jeszcze bardziej wprowadzać innowacje. Naukowcy z University of Texas at Austin niedawno opracowali nową technikę filtracji, która może znacznie skrócić czas potrzebny do ekstrakcji litu z solanki. W testach współczynnik odzyskiwania litu wynosi do 90%; oznacza to bardziej wydajne odzyskiwanie zasobów i lepszy wpływ na środowisko dla ekstrakcji litu.26 ponieważ Stany Zjednoczone chcą nie tylko zapewnić krajowe krytyczne dostawy minerałów, ale także poprawić proces ekstrakcji litu, taki postęp będzie polegał na takich kluczowych innowatorach.
w przypadku niektórych innych krytycznych minerałów, inne rozwiązanie można znaleźć na dnie oceanu w pobliżu wybrzeży USA. Potencjał górnictwa głębinowego może oferować wyższe wydobycie minerałów i znacznie mniej toksycznych odpadów niż tradycyjne wydobycie minerałów krytycznych. Międzynarodowa firma DeepGreen zbadała wydobycie głębinowe „guzków polimetalicznych” zawierających nikiel, mangan i kobalt, z których wszystkie działają jako katoda w najczęstszych konfiguracjach akumulatorów pojazdów elektrycznych, jak wspomniano.27 Massachusetts Institute of Technology (MIT) również przyjrzał się temu procesowi, aby pomóc zainteresowanym stronom w jego rozwoju.28 minerałów głębinowych może pomóc w skali rozmieszczenia baterii, ponieważ nasz głód na wszystko naładowane elektrycznie rośnie.
Polityka wewnętrzna
biorąc pod uwagę istniejące wyzwania w łańcuchu dostaw i globalny głód baterii, U.S. decydenci szukali sposobów na zachęcenie krajowego rozwoju krytycznych łańcuchów dostaw surowców mineralnych. Do tej pory największą inicjatywą mającą na celu pobudzenie krajowej produkcji krytycznych minerałów jest wielkie wyzwanie Departamentu Energii dotyczące magazynowania energii. Ogólnie Rzecz Biorąc, Wyzwanie ma na celu wprowadzenie innowacji, produkcję i wdrożenie rozwiązań w zakresie magazynowania energii w całości w Stanach Zjednoczonych, aby do 2030 r.dysponować solidnym portfelem magazynowania. Znaczna część tych wysiłków koncentruje się na zapewnieniu krajowego łańcucha dostaw dla krytycznych minerałów, obejmującego postęp technologiczny, zwiększenie skali innowacji i niezawodne zaopatrzenie w materiały.29 osiągnięcie tego celu będzie wymagało szczegółowego zbadania możliwości Stanów Zjednoczonych i rozwoju w znacznej części łańcucha dostaw.
na froncie legislacyjnym dwupartyjna Amerykańska Ustawa o bezpieczeństwie minerałów (S. 1317) została wprowadzona w 2019 roku i jest obecnie częścią amerykańskiej Ustawy o innowacji energetycznej. Ustawa nakazuje rządowi federalnemu opracowanie narzędzi do lepszej oceny złóż minerałów w Stanach Zjednoczonych. Upoważnia również do badań i rozwoju w zakresie przetwarzania i recyklingu minerałów krytycznych.30 udany program produkcji minerałów w USA opiera się na dokładnych informacjach; ustawa ta może zapewnić niezbędną podstawę dla przyszłych wysiłków w zakresie produkcji minerałów.
bardziej ukierunkowane w zakresie, Senator Ted Cruz ORE Act (S. 3694) ma na celu zmniejszenie zależności od Chin poprzez wzmocnienie produkcji minerałów ziem rzadkich w USA. Projekt przewiduje odliczenia od podatku kosztów budowy kopalń metali ziem rzadkich oraz zachęty popytowe do wykorzystywania minerałów produkowanych w kraju.31 od 2019 r. ustawa senator Marco Rubio O RE-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) upoważnia organ koordynujący do nadzorowania rozwoju zintegrowanego łańcucha dostaw ziem rzadkich. Ponad 80% pierwiastków ziem rzadkich jest importowanych z Chin — nawet minerały wydobywane w kalifornijskiej Przełęczy są wysyłane do Chin w celu przetworzenia — więc wprowadzenie łańcucha dostaw do domu może zmniejszyć zależność od Chin.32,33
w USA Izba Reprezentantów, przedstawiciele Michael Waltz (R-FL) i Paul Gosar (R-AZ) niedawno wprowadzili amerykańską ustawę o eksploracji minerałów krytycznych i innowacji z 2020 r. (H. R. 7061), która ustanawia ramy rozszerzania bezpieczeństwa krytycznych minerałów. Ustawa przekrojowa dokonuje tego poprzez rozszerzoną ocenę zasobów, badania i rozwój w zakresie zaawansowanych krytycznych technologii minerałów oraz inicjatywy na rzecz rozwoju siły roboczej. Przegląd krytycznych minerałów bezpieczeństwo od ziemi do przemysłu pomaga położyć podwaliny pod dostosowanie amerykańskiej krytycznej polityki mineralnej, która zachęca do krajowego łańcucha dostaw.
inną opcją zmniejszenia zależności od Chin jest recykling. Obecnie mniej niż 5% baterii litowo-jonowych jest poddawanych recyklingowi, głównie dlatego, że proces ten jest nieatrakcyjny: jest energochłonny, wytwarza toksyczne produkty uboczne i zmaga się z odzyskaniem znacznej ilości materiału litowego. Tylko jedna amerykańska firma, Retriev Technologies Inc.W swoich zakładach w Kolumbii Brytyjskiej i Lancaster w stanie Ohio eksploatuje 34 350 baterii litowo-metalowych i litowo-jonowych., Battery and Critical Mineral Recycling Act of 2020 (S.3356) oraz Nagroda Departamentu Energii za recykling akumulatorów litowo-jonowych w 2019 r. ma na celu poprawę recyklingu R&D i zachęcenie do tworzenia krajowych centrów recyklingu.36,37
mały akumulator, duży wpływ
łańcuch dostaw litu i innych krytycznych minerałów, fizycznie maleńkiej części magazynowania energii i pojazdów elektrycznych, jest ogromny i złożony. Dotyka kwestii geopolitycznych, środowiskowych i ekonomicznych, które obecnie leżą poza bezpośrednią kontrolą USA. Komponenty do budowy udanego łańcucha dostaw dla amerykańskiego litu i magazynowania energii istnieją: rezerwy litu, zdolna siła robocza, popyt wewnętrzny i siła ekonomiczna. Jednak aby skutecznie połączyć te komponenty, USA muszą strategicznie poradzić sobie z siecią czynników, z którymi boryka się bateria podczas podróży dookoła świata i do kieszeni.