postado em 11 de junho de 2020 por Cameron Tarry e Faith Martinez-Smith
introdução
você está ciente de quantos minutos você gasta no seu telefone a cada semana? Em média, os adultos passam mais de 3 horas por dia em um smartphone, mas você já parou para pensar sobre o que seu celular é feito? Claro que há uma tampa de vidro, um pouco de metal e plástico, mas e a bateria?
telefones celulares pesam ~ 7 onças, e a bateria é 1/5 disso.1 A maioria dos telefones depende de uma bateria de íons de lítio, que usa menos de um grama (3/100ths de uma onça) de lítio como o “meio” para armazenamento de energia.2 Como o lítio cria íons, eles fluem entre ânodo e cátodo para criar uma carga. Muito legal, certo!
mas, para esse pequeno traço de lítio, precisamos ser capazes de enviar mensagens de texto, a cadeia de suprimentos para obtê-lo é realmente complicada.
as baterias de íons de lítio não estão apenas em nossos telefones — elas estão realmente no centro de nossa transição de energia limpa. Outros materiais como grafite, que também é usado em baterias; e telúrio, usado em células solares de próxima geração são importantes, mas o lítio definitivamente está impulsionando o mercado de armazenamento de baterias. Praticamente tudo-do seu telefone, veículos elétricos, soluções de armazenamento em escala de utilidade-está encontrando aplicativos para lítio.3
talvez você tenha lido sobre a nova bateria de íons de lítio em que a Tesla está trabalhando com a fabricante chinesa de baterias Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. Diz-se que isso dura mais de 1 milhão de milhas e teria um impacto tremendo na tecnologia da bateria.4 mas há uma grande questão: de onde vem o lítio e outros materiais críticos? Hoje, a resposta é — não os Estados Unidos
a segurança nacional dos EUA está enfraquecida se a capacidade de construir nos Estados Unidos depender de materiais e trocas muito fora do controle dos EUA.
crítico, mas não doméstico
em 2018, O Departamento do Interior dos EUA publicou uma lista de 35 minerais críticos: minerais que são “críticos para a segurança econômica e Nacional dos Estados Unidos.”5 esses minerais são essenciais para a operação de setores-chave como aeroespacial, defesa, energia, eletrônica e transporte, mas têm cadeias de suprimentos fáceis de interromper.6 por um lado, esses minerais podem ser encontrados na crosta terrestre, mas só são extraídos ou processados em localizações geográficas concentradas. Componentes de algumas baterias de íons de lítio, como grafite, lítio, cobalto e manganês, também estão nesta lista.
os EUA importam a maioria desses minerais críticos em quantidades variáveis. Embora os EUA sejam líderes na produção de berílio e hélio, ele depende inteiramente das importações de 14 dos minerais, incluindo a bauxita, a principal fonte de alumínio, e o tântalo, que é um capacitor em alguns eletrônicos. Por outro lado, a China é de longe o principal produtor de minerais críticos, dominando a produção de 16 deles.7
a China é o principal produtor de minerais críticos, enquanto os EUA importam 14 deles
e depois? Vejamos as baterias como exemplo. Muitas baterias de íons de lítio usam cobalto em seu cátodo. Apesar de ser tão amplamente utilizado, mais de 90% do cobalto é produzido como subproduto da extração de outros recursos, tornando sua produção dependente de fatores além da demanda por baterias. Além disso, mais de 65% da produção global está concentrada na República Democrática do Congo, um país no qual as Nações Unidas ainda mantêm uma presença de manutenção da paz.8,9 assim, não só o mundo depende de um país para a sua oferta, mas essa oferta pode ser cortada por um evento geograficamente específico ou não relacionado. Embora seja apenas um investidor em muitas minas de cobalto, a China controla 70% da capacidade de converter minério de cobalto em produtos químicos de cobalto para a indústria de baterias, dando-lhes controle adicional da cadeia de suprimentos.Como muitos desses minerais críticos, o lítio enfrenta os mesmos desafios. Embora abundante, o lítio é difícil de extrair e processar. A maior parte da mineração de lítio está concentrada na América Latina e na Austrália, enquanto a China controla a maior parte da capacidade de processamento; A Austrália sozinha possui cinco dos dez maiores depósitos de lítio do mundo, e mais de 60% do processamento de lítio ocorre na China.10,11 a produção de produtos químicos de lítio e produtos finais abrange países como China, Japão e Coréia do Sul. Mesmo ao negociar com aliados, a cadeia de suprimentos de lítio é verdadeiramente global. americano. a capacidade de fabricar baterias depende de fatores fora de seu controle-preços comerciais globais, recursos de mineração e processamento estrangeiros, ou mesmo uma pandemia que limita o comércio internacional. À medida que os EUA procuram trazer a produção de minerais mais críticos para casa, vamos rastrear o lítio do chão até nossos bolsos como um estudo de caso.
cavar mais fundo
o lítio é extraído de diferentes fontes: salmoura e rocha dura, com outros como argila em exploração. Cerca de metade do lítio do mundo vem de salmoura subterrânea, água rica em sal de lítio. A salmoura subterrânea é mais comumente extraída na América do Sul. O acesso a este lítio envolve bombear a água para a superfície e deixá-la sentar-se em enormes lagoas por meses ou anos até que a concentração de lítio seja alta o suficiente. O lítio também pode ser extraído de rocha dura no solo em uma mina tradicional. Esses minerais são como a maior parte do lítio é obtida na Austrália e foi a fonte mais importante de lítio antes da descoberta das reservas de lítio da América do Sul.12 Cada um desses tipos de mineração enfrenta questões ambientais: salmoura para seu uso e pegada hídrica, e Minas tradicionais para sua pegada e lixiviação de produtos químicos.13
depois de sair do solo, o composto de lítio deve ser processado em um produto utilizável. Os produtos químicos de lítio, não apenas de lítio, são usados em baterias e outros produtos. Isso significa que o lítio é processado de um composto para outro que pode ser usado.14 essas instalações de processamento são altamente especializadas, pois diferentes clientes exigem compostos com composições e puridades específicas.15 os processos também são bastante intensivos em energia, adicionando uma pegada de carbono embutida quando as instalações de processamento estão localizadas em países de alta emissão. A maioria das instalações de processamento de lítio está na China, que produziu mais de 60% do lítio do mundo em abril de 2019.16 isso significa que a cadeia de fornecimento de uma bateria de lítio realmente depende do comércio global, mesmo que a instalação de fabricação da própria bateria esteja nos Estados Unidos.
um elemento surpreendente dessa cadeia de suprimentos vem com a fabricação da bateria, embora o processamento de lítio enfrente preocupações semelhantes. Fazer uma bateria de íons de lítio também é um processo de fabricação intensivo em energia. Muitas vezes, essa energia vem de fontes emissoras de carbono e, quando isso acontece, essa energia é responsável por metade da pegada de carbono de uma bateria de íons de lítio. Transporte também fatores em; o transporte de lítio do Chile para a China para o Japão ou Coréia do Sul adiciona uma pegada de gás de efeito estufa não insignificante; apenas o transporte de células de bateria concluídas da Coréia do Sul para Michigan adiciona uma pegada de 4,1 kg de CO2e/kWh.17
agora temos as peças no lugar, vamos olhar para uma bateria de iões de lítio que está no centro das atenções: isso em um carro Tesla, cuja iteração semi-caminhão foi recentemente atrasada devido a restrições de produção de bateria. Um carro elétrico precisa de uma enorme quantidade de lítio; a bateria de um Tesla Model S precisa de 140 libras de lítio, a quantidade em 10.000 telefones celulares.18 Tesla fontes de lítio da Austrália Kidman Resources Mines, uma mina de hard rock; a empresa recentemente fez parceria com a SQM, uma empresa chilena, para desenvolver o Mt. Projeto Holland Lithium na Austrália Ocidental para adicionar mais capacidade de mineração para a Tesla. A rocha é então enviada para o lítio Ganfeng da China para processamento em hidróxido de lítio, o produto químico que Tesla usa em suas baterias. Esse produto químico é enviado para as instalações de fabricação da Tesla em Nova York, Nevada, Califórnia e Xangai para ser transformado em uma bateria. Portanto, embora muitos veículos elétricos Modelo 3 sejam fabricados em Fremont, CA, essa fabricação depende de uma rede de empresas, processos e cadeias que circundam o globo. Mesmo a planejada Gigafactory movida a energia solar da Tesla, já a fábrica de baterias de maior volume do mundo, só traz esse elemento final de fabricação da cadeia de fornecimento de baterias para os Estados Unidos.Tornar esse processo mais complicado é que cada etapa-mineração, processamento e, finalmente, fabricação do uso final – está inerentemente ligada à demanda no final da cadeia de suprimentos. m. O projeto Holland depende da Tesla querer mais baterias. A química da bateria é frágil, o que significa que uma mina de lítio e uma instalação de processamento devem ser capazes de produzir produtos químicos de lítio consistentes de forma confiável; um projeto para produzir mais lítio é, portanto, impulsionado por ter um off-taker. O preço do lítio depende do mercado global, o que significa que o risco de embarcar em um novo projeto sem um cliente em mente é intransponível.19 Isso pode criar um problema de galinha e ovo: é quase impossível construir uma mina sem um parceiro off-take, e é difícil obter tal acordo sem primeiro estabelecer capacidades de escala comercial.20
se os EUA quer permitir uma cadeia de suprimentos doméstica de lítio, portanto, tem muitos estágios e processos diferentes para construir, bem como fatores de fabricação, ambientais e econômicos para enfrentar. Felizmente, a alta demanda do crescimento explosivo de veículos elétricos, o sério potencial geológico e uma força de trabalho experiente em manufatura dão aos EUA um terreno fértil para construir. Agora entendemos o processo por trás de uma bateria de íons de lítio, vamos voltar para os EUA
capacidades atuais dos EUA
Atualmente, os EUA têm baixas capacidades, mas alta promessa: depósitos significativos de lítio, mas apenas um punhado de operações. Uma empresa dos EUA, Albemarle, tem instalações na Carolina do Norte, Tennessee e Nevada. Hoje, o local de Albemarle em Nevada é a única mina de lítio ativa nos EUA, extraindo lítio da salmoura usando lagoas de evaporação. A empresa também minou historicamente o hard rock em seu local na Carolina do Norte; Albemarle atualmente administra uma fábrica de conversão química na Carolina do Norte e está investigando o potencial de reiniciar a operação de mineração da Carolina do Norte.21 além disso, a empresa canadense Lithium Americas está desenvolvendo o project Thacker Pass, que será a segunda maior mina de lítio do mundo após o comissionamento. O projeto está programado para iniciar a produção em 2022 e usará um método a céu aberto para minerar argila.22
inovação nos EUA no trabalho
os EUA estão maduros com potencial para desenvolver mais da cadeia de fornecimento de lítio. Hoje, existem vários projetos em desenvolvimento que não apenas expandem a produção de lítio dos EUA, mas encontram maneiras mais ecológicas e econômicas de fazê-lo. Sua diversidade geográfica e técnica dá uma ampla gama de exemplos para uma futura cadeia de suprimentos de lítio dos EUA.
no campo geotérmico do mar de Salton, na Califórnia, a Controlled Thermal Resources está tentando matar dois pássaros com uma pedra: gerando energia a partir do calor geotérmico enquanto extrai lítio de sua salmoura. As plantas geotérmicas convencionais geram calor de reservatórios de água quente perto da superfície; Quando esta salmoura tem concentrações significativas de lítio, esse lítio poderia hipoteticamente ser extraído como de qualquer outra salmoura de lítio. Essa técnica é chamada de extração direta de lítio. Um dos principais benefícios desse método é sua pegada ambiental — ele usa menos espaço e menos água do que a extração tradicional de salmoura, é fechado retornando a salmoura à sua fonte e é alimentado por energia renovável no local. O processo também extrai lítio em horas, não meses.23 ao projetar o sistema desde o início para incorporar a extração de lítio, em uma área com concentrações extremamente altas de lítio, a Controlled Thermal Resources espera criar uma fonte doméstica de carbonato de lítio até 2023 para a fabricação de veículos elétricos.24
no centro-sul do Arkansas, a empresa canadense Standard Lithium está levando a extração direta de lítio para a infraestrutura existente em parceria com a empresa química alemã Lanxess. Atualmente, o projeto Lanxess cobre 150.000 acres e 10.000 arrendamentos para retirar salmoura, que é então canalizada para três plantas de processamento para extrair bromo. Em 2019, A Standard Lithium começou a explorar a extração de lítio da salmoura antes de sua reinjeção no solo. No sudoeste do Estado, A Standard Lithium está em parceria com a Tetra Technologies para explorar a extração de lítio da salmoura residual da produção de petróleo e gás. Como o projeto Salton Sea, esses projetos usariam um sistema de circuito fechado que reduz o impacto ambiental e o tempo do processo de extração de lítio.25 esses projetos também oferecem uma economia de custos potencialmente enorme ao explorar a infraestrutura existente, fornecendo uma maneira de baixo custo de obter lítio nos Estados Unidos.
alguns estão procurando inovar ainda mais. Cientistas da Universidade do Texas em Austin desenvolveram recentemente uma nova técnica de filtração que poderia reduzir significativamente o tempo necessário para extrair lítio da salmoura. Nos testes, a taxa de recuperação de lítio é de até 90%; isso significa uma recuperação de recursos mais eficiente e uma melhor pegada ambiental para a extração de lítio.Como os EUA procuram não apenas garantir um suprimento mineral crítico doméstico, mas também melhorar o processo de extração de lítio, esse progresso dependerá de inovadores importantes como esses.
para alguns dos outros minerais críticos, outra solução pode ser encontrada no fundo do oceano perto das costas dos EUA. O potencial da mineração em alto mar poderia oferecer maiores rendimentos minerais e muito menos resíduos tóxicos do que a mineração tradicional de minerais críticos. A empresa multinacional DeepGreen explorou a mineração em alto mar de” nódulos polimetálicos ” contendo níquel, manganês e cobalto, todos os quais atuam como cátodo na configuração de bateria de Veículo Elétrico mais comum, como mencionado.O Instituto de tecnologia de Massachusetts (MIT) também analisou esse processo para ajudar as partes interessadas a desenvolver o processo.28 minerais do mar profundo podem ajudar na escala de implantação da bateria à medida que nossa fome por tudo carregado eletricamente cresce.
política interna
diante dos desafios existentes na cadeia de suprimentos e da fome global por baterias, U.S. os formuladores de políticas procuraram maneiras de incentivar o desenvolvimento doméstico de cadeias críticas de suprimentos minerais. Até o momento, a maior iniciativa para estimular a produção doméstica de minerais críticos é o grande desafio do Departamento de armazenamento de energia. Em termos gerais, o Desafio visa inovar, produzir e implantar soluções de armazenamento de energia inteiramente nos Estados Unidos, a fim de possuir um portfólio de armazenamento robusto até 2030. Uma parte significativa desse esforço se concentra em garantir uma cadeia de suprimentos de manufatura doméstica para minerais críticos, envolvendo avanços tecnológicos, aumento da inovação e fornecimento confiável de materiais.29 alcançar esse objetivo exigirá uma exploração detalhada das capacidades dos Estados Unidos e o desenvolvimento em grande parte da cadeia de suprimentos.
na frente legislativa, a lei bipartidária de segurança Mineral Americana (S. 1317) foi introduzida em 2019 e atualmente faz parte da lei americana de inovação energética. O projeto de lei direciona o governo federal a desenvolver ferramentas para avaliar melhor os depósitos minerais nos Estados Unidos. Também autoriza pesquisa e desenvolvimento para o processamento e reciclagem de minerais críticos.Um programa de sucesso para a produção mineral dos EUA depende de informações precisas; este projeto de lei poderia fornecer a base necessária para futuros esforços de produção mineral.
mais visado no escopo, a Lei de minério do senador Ted Cruz (S. 3694) visa reduzir a dependência da China, reforçando a produção dos EUA de minerais de terras raras. O projeto de lei inclui deduções fiscais para o custo de construção de minas de terras raras e incentivos do lado da demanda para usar minerais produzidos internamente.A partir de 2019, A Lei de fabricação do século 21 (S. 2093) do senador Marco Rubio autorizaria um órgão de coordenação a supervisionar o desenvolvimento de uma cadeia de suprimentos integrada de terras raras. Mais de 80% dos elementos de terras raras são importados da China — até mesmo minerais extraídos na passagem de montanha da Califórnia são enviados para a China para processamento — portanto, trazer a cadeia de suprimentos para casa Pode reduzir a dependência da China.32,33
nos EUA A Câmara dos Representantes, os representantes Michael Waltz (R-FL) e Paul Gosar (R-AZ) introduziram recentemente o American Critical Mineral Exploration and Innovation Act de 2020 (H. R. 7061), que estabelece uma estrutura para expandir a segurança mineral crítica. O projeto de lei transversal faz isso por meio de avaliação expandida de recursos, pesquisa e desenvolvimento em tecnologias avançadas de minerais críticos e iniciativas de desenvolvimento da força de trabalho. Ver a segurança dos minerais críticos do solo para a indústria ajuda a estabelecer as bases para um realinhamento da política mineral crítica dos EUA que incentiva uma cadeia de suprimentos doméstica.
outra opção para reduzir a dependência da China é a reciclagem. Hoje, menos de 5% das baterias de íons de lítio são recicladas, principalmente porque o processo não é atraente: consome muita energia, produz subprodutos tóxicos e luta para recuperar uma quantidade significativa de material de lítio. Apenas uma empresa dos EUA, Retriev Technologies Inc.34,35 reciclam baterias de lítio-íon e metal em suas instalações na Colúmbia Britânica e Lancaster, Ohio., A Lei de Reciclagem De Baterias e minerais críticos de 2020 (S.3356) e o prêmio de reciclagem de baterias de íons de lítio do Departamento de energia de 2019 visam melhorar a reciclagem R&D e incentivar a criação de centros de reciclagem domésticos.36,37
Pequena bateria, grande impacto
A cadeia de fornecimento de lítio e outros importantes minerais, fisicamente pequena parte de armazenamento de energia e veículos elétricos, é imenso e complexo. Ele toca questões geopolíticas, ambientais e econômicas que atualmente estão fora do controle direto dos EUA. Os componentes para construir uma cadeia de suprimentos bem-sucedida para o armazenamento americano de lítio e energia existem: reservas de lítio, uma força de trabalho capaz, demanda doméstica e poder econômico. No entanto, para conectar com sucesso esses componentes, OS EUA devem enfrentar estrategicamente a teia de fatores que uma bateria enfrenta em sua jornada ao redor do globo e em seu bolso.