lanțul de aprovizionare pentru litiu și minerale critice este … critic

postat pe 11 iunie 2020 de Cameron Tarry și Faith Martinez-Smith

Introducere

sunteți conștient de câte minute petreceți pe telefon în fiecare săptămână? În medie, adulții petrec mai mult de 3 ore pe zi pe un smartphone, dar te-ai oprit vreodată să te gândești la ce este făcut telefonul tău mobil? Sigur că există un capac de sticlă, ceva metal și plastic, dar ce zici de baterie?

telefoanele mobile cântăresc ~7 uncii, iar bateria este 1/5 din asta.1 Majoritatea telefoanelor se bazează pe o baterie litiu-ion, care utilizează mai puțin de un gram (3/100ths de o uncie) de litiu ca „mediu” pentru stocarea energiei.2 pe măsură ce litiul creează ioni, acestea curg între anod și catod pentru a crea o sarcină. Destul de cool, nu!

dar, pentru acea mică urmă de litiu trebuie să putem trimite mesaje mamei, lanțul de aprovizionare pentru a-l obține este foarte complicat.

bateriile litiu-ion nu sunt doar în telefoanele noastre — ele sunt de fapt în centrul tranziției noastre de energie curată. Alte materiale, cum ar fi grafitul, care este, de asemenea, utilizat în baterii; și telur, utilizat în celulele solare de generație următoare sunt importante, dar litiul conduce cu siguranță piața de stocare a bateriilor. Aproape totul — de la telefon, la vehicule electrice, la soluții de stocare la scară utilitară-este găsirea de aplicații pentru litiu.3

poate că ați citit despre noua baterie litiu-ion pe care Tesla lucrează cu producătorul chinez de baterii Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) se spune că durează mai mult de 1 milion de mile și ar avea un impact cutremurător asupra tehnologiei bateriei.4 dar există o întrebare uriașă: de unde provin litiul și alte materiale critice? Astăzi, răspunsul este-nu Statele Unite

securitatea națională a SUA este slăbită dacă capacitatea de a construi în Statele Unite depinde de materiale și schimburi mult în afara controlului SUA.

critic, dar nu intern

în 2018, Departamentul de Interne al SUA a publicat o listă cu 35 de minerale critice: minerale care sunt „critice pentru securitatea economică și națională a Statelor Unite.”5 aceste minerale sunt esențiale pentru funcționarea sectoarelor cheie precum industria aerospațială, Apărare, energie, electronică și transport, dar au lanțuri de aprovizionare ușor de perturbat.6 în primul rând, aceste minerale pot fi găsite în scoarța terestră, dar sunt exploatate sau prelucrate numai în locații geografice concentrate. Componentele unor baterii litiu-ion, cum ar fi grafitul, litiul, cobaltul și manganul, se află și pe această listă.

SUA importă majoritatea acestor minerale critice în cantități diferite. Deși SUA este un lider în producerea de beriliu și heliu, se bazează în întregime pe importurile pentru 14 minerale, inclusiv bauxită, sursa primară de aluminiu și tantal, care este un condensator în unele electronice. În schimb, China este de departe principalul producător de minerale critice, dominând producția a 16 dintre ele.7

și ce dacă? Să ne uităm la baterii ca exemplu. Multe baterii litiu-ion folosesc cobalt în catodul lor. În ciuda faptului că este atât de utilizat pe scară largă, peste 90% din cobalt este produs ca produs secundar al extragerii altor resurse, făcând producția sa dependentă de factori în afară de cererea de baterii. Mai mult, peste 65% din producția globală este concentrată în Republica Democrată Congo, o țară în care Organizația Națiunilor Unite menține încă o prezență de menținere a păcii.8,9 prin urmare, nu numai că lumea depinde de o țară pentru aprovizionarea sa, dar această aprovizionare ar putea fi practic întreruptă de un eveniment specific din punct de vedere geografic sau fără legătură. Deși este doar un investitor în multe mine de cobalt, China controlează 70% din capacitatea de a transforma minereul de cobalt în produse chimice de cobalt pentru industria bateriilor, oferindu-le un control suplimentar asupra lanțului de aprovizionare.

ca multe dintre aceste minerale critice, litiul se confruntă cu aceleași provocări. Deși abundent, litiul este greu de extras și procesat. Majoritatea mineritului de litiu este concentrat în America Latină și Australia, în timp ce China controlează cea mai mare parte a capacității de procesare; Australia singură se mândrește cu cinci dintre cele mai mari zece depozite de litiu din lume, iar peste 60% din procesarea litiului are loc în China.10,11 producția de produse chimice cu litiu și produse finale se întinde pe țări precum China, Japonia și Coreea de Sud. Chiar și atunci când tranzacționați cu aliați, lanțul de aprovizionare cu litiu este cu adevărat global. SUA. abilitatea de a produce baterii se bazează pe factori în afara controlului său — prețurile de tranzacționare globale, capacitățile miniere și de prelucrare străine sau chiar o pandemie care limitează comerțul internațional. Pe măsură ce SUA încearcă să aducă acasă producția de minerale mai critice, să urmărim litiul de la sol în buzunarele noastre ca studiu de caz.

săpând mai adânc

litiul este extras din diferite surse: saramură și rocă tare, cu altele precum argila în explorare. Aproximativ jumătate din litiul din lume provine din saramură subterană, apă bogată în sare de litiu. Solul de apă subterană este cel mai frecvent exploatat în America de Sud. Accesarea acestui litiu implică pomparea apei la suprafață și lăsarea acesteia să stea în iazuri uriașe luni sau ani până când concentrația de litiu este suficient de mare. Litiul poate fi, de asemenea, extras din rocă tare în pământ într-o mină tradițională. Aceste minerale sunt modul în care majoritatea litiului este obținut în Australia și a fost cea mai importantă sursă de litiu înainte de descoperirea rezervelor de litiu din America de Sud.12 fiecare dintre aceste tipuri de minerit se confruntă cu probleme de mediu: saramură pentru utilizarea apei și amprenta la sol, și minele tradiționale pentru amprenta lor și levigarea substanțelor chimice.13

după ce a ieșit din pământ, compusul de litiu trebuie prelucrat într-un produs utilizabil. Substanțele chimice cu litiu, nu numai litiul, sunt utilizate în baterii și alte produse. Aceasta înseamnă că litiul este procesat dintr-un compus în altul care poate fi utilizat.14 aceste instalații de prelucrare sunt foarte specializate, deoarece diferiți clienți necesită compuși cu compoziții și purități specifice.15 procesele sunt, de asemenea, destul de consumatoare de energie, adăugând o amprentă de carbon încorporată atunci când instalațiile de procesare sunt situate în țări cu emisii ridicate. Majoritatea instalațiilor de prelucrare a litiului se află în China, care a produs peste 60% din litiul din lume în aprilie 2019.16 aceasta înseamnă că lanțul de aprovizionare al unei baterii cu litiu depinde cu adevărat de comerțul global, chiar dacă instalația de producție a bateriei în sine se află în Statele Unite.

un element surprinzător al acestui lanț de aprovizionare vine cu fabricarea bateriei, deși prelucrarea litiului se confruntă cu preocupări similare. Realizarea unei baterii litiu-ion este, de asemenea, un proces de fabricație cu consum mare de energie. Adesea, această energie provine din surse care emit carbon, iar atunci când o face, acea energie reprezintă jumătate din amprenta de carbon a unei baterii litiu-ion. Transportul de litiu din Chile în China în Japonia sau Coreea de Sud adaugă o amprentă de gaze cu efect de seră nesemnificativă; doar transportul celulelor de baterii finalizate din Coreea de Sud în Michigan adaugă o amprentă de 4,1 kg CO2e/kWh.17

acum avem piesele la locul lor, să ne uităm la o baterie litiu-ion care a fost în centrul atenției: asta într-o mașină Tesla, a cărei iterație semi-camion a fost întârziată recent din cauza constrângerilor de producție a bateriilor. O mașină electrică are nevoie de o cantitate masivă de litiu; acumulatorul dintr-un Tesla Model S are nevoie de 140 de kilograme de litiu, cantitatea din 10.000 de telefoane mobile.18 Tesla furnizează litiu din minele Kidman Resources din Australia, o mină de hard rock; compania a colaborat recent cu SQM, o companie Chiliană, pentru a dezvolta Mt. Proiectul Holland Lithium din Australia de Vest pentru a adăuga mai multă capacitate minieră pentru Tesla. Piatra este apoi trimisă la Ganfeng Lithium din China pentru prelucrare în hidroxid de litiu, substanța chimică pe care Tesla o folosește în bateriile sale. Această substanță chimică este trimisă la fabricile Tesla din New York, Nevada, California și Shanghai pentru a fi transformată într-o baterie. Deci, chiar dacă multe vehicule electrice Model 3 sunt fabricate în Fremont, CA, această producție se bazează pe o rețea de companii, procese și lanțuri care înconjoară globul. Chiar și Gigafactory cu energie solară planificată de Tesla, deja cea mai mare fabrică de baterii din lume, aduce doar acel element final de fabricație al lanțului de aprovizionare cu baterii în Statele Unite.

a face acest proces mai complicat este că fiecare etapă – minerit, prelucrare și, în cele din urmă, fabricarea utilizării finale – este în mod inerent legată de cererea de la sfârșitul lanțului de aprovizionare. Mt. Proiectul Holland depinde de Tesla care doresc mai multe baterii. Chimia bateriei este fragilă, ceea ce înseamnă că o mină de litiu și o instalație de prelucrare trebuie să poată produce în mod fiabil substanțe chimice de litiu consistente; un proiect de a produce mai mult litiu este astfel condus de a avea un off-taker. Prețul litiului depinde de piața globală, ceea ce înseamnă că riscul de a începe un nou proiect fără un client în minte este insurmontabil.19 Acest lucru poate crea o problemă de pui și ouă:este aproape imposibil să construiești o mină fără un partener de preluare și este dificil să obții un astfel de acord fără a stabili mai întâi capacități la scară comercială.20

dacă SUA. dorește să permită un lanț intern de aprovizionare cu litiu, are astfel multe etape și procese diferite de construit, precum și factori de producție, de mediu și economici cu care să se confrunte. Din fericire, cererea mare din creșterea explozivă a vehiculelor electrice, potențialul geologic serios și o forță de muncă cu experiență în producție oferă SUA un teren fertil pe care să construiască. Acum înțelegem procesul din spatele unei baterii litiu-ion, să ne întoarcem la sua

capacitățile actuale ale SUA

în prezent, SUA are capacități scăzute, dar promisiune ridicată: depozite semnificative de litiu, dar doar o mână de operațiuni. O companie americană, Albemarle, are facilități în Carolina de Nord, Tennessee și Nevada. Astăzi situl Albemarle din Nevada este singura mină activă de litiu din SUA, extragând litiu din saramură folosind iazuri de evaporare. De asemenea, compania a exploatat istoric Hard rock la situl său din Carolina de Nord; Albemarle conduce în prezent o fabrică de conversie chimică în Carolina de Nord și investighează potențialul de a reporni operațiunea minieră din Carolina de Nord.21 În plus, compania canadiană Lithium Americas dezvoltă proiectul Thacker Pass, care va fi a doua cea mai mare mină de litiu din lume la punerea în funcțiune. Proiectul urmează să înceapă producția în 2022 și va folosi o metodă în aer liber pentru a extrage argila.22

inovația SUA la locul de muncă

SUA sunt coapte cu potențialul de a dezvolta mai mult din lanțul de aprovizionare cu litiu. Astăzi, există mai multe proiecte în dezvoltare care nu numai că extind producția de litiu din SUA, dar găsesc modalități mai ecologice și economice de a face acest lucru. Diversitatea lor geografică și tehnică oferă o gamă largă de exemple pentru un viitor lanț de aprovizionare cu litiu din SUA.

la câmpul geotermal din Marea Salton din California, resursele termice controlate încearcă să omoare două păsări cu o singură piatră: generând energie din căldura geotermală în timp ce extrage litiu din saramura sa. Plantele geotermale convenționale generează căldură din rezervoarele de apă caldă din apropierea suprafeței; atunci când această saramură are concentrații semnificative de litiu, acel litiu ar putea fi extras ipotetic ca din orice altă saramură de litiu. Această tehnică se numește extracție directă cu litiu. Un beneficiu principal al acestei metode este amprenta sa de mediu-utilizează mai puțin spațiu și mai puțină apă decât extracția tradițională a saramurii, este în buclă închisă prin returnarea saramurii la sursă și este alimentată cu energie regenerabilă la fața locului. Procesul extrage, de asemenea, litiu în ore, nu luni.23 prin proiectarea sistemului de la zero pentru a încorpora extracția litiului, într-o zonă cu concentrații extrem de mari de litiu, resursele termice controlate speră să creeze o sursă internă de carbonat de litiu până în 2023 pentru fabricarea vehiculelor electrice.24

în South Central Arkansas, compania canadiană standard Lithium preia extracția directă a litiului către infrastructura existentă în parteneriat cu compania chimică Germană Lanxess. În prezent, proiectul Lanxess acoperă 150.000 de acri și 10.000 de contracte de închiriere pentru a scoate saramură, care este apoi direcționată către trei instalații de procesare pentru a extrage brom. În 2019, litiul Standard a început să exploreze extracția litiului din saramură înainte de reinjectarea acestuia în pământ. În sud-vestul statului, standard Lithium colaborează cu Tetra Technologies pentru a explora extragerea litiului din saramura reziduală din producția de petrol și gaze. La fel ca proiectul Salton Sea, aceste proiecte ar folosi un sistem cu buclă închisă care reduce atât impactul asupra mediului, cât și timpul procesului de extracție a litiului.25 aceste proiecte oferă, de asemenea, economii potențiale de costuri uriașe prin utilizarea infrastructurii existente, oferind o modalitate mai ieftină de a obține litiu în Statele Unite.

unii caută să inoveze și mai mult. Oamenii de știință de la Universitatea Texas din Austin au dezvoltat recent o nouă tehnică de filtrare care ar putea reduce semnificativ timpul necesar pentru extragerea litiului din saramură. În cadrul testelor, rata de recuperare a litiului este de până la 90%; aceasta înseamnă o recuperare mai eficientă a resurselor și o amprentă de mediu mai bună pentru extracția litiului.26 deoarece SUA arată nu numai pentru a asigura o aprovizionare internă cu minerale critice, ci și pentru a îmbunătăți procesul de extracție a litiului, un astfel de progres se va baza pe inovatori cheie ca aceștia.

pentru unele dintre celelalte minerale critice, o altă soluție ar putea fi găsită pe fundul oceanului, în apropierea coastelor americane. Potențialul mineritului de adâncime ar putea oferi randamente minerale mai mari și deșeuri mult mai puțin toxice decât mineritul tradițional de minerale critice. Compania multinațională DeepGreen a explorat exploatarea la mare adâncime a” nodulilor polimetalici ” care conțin nichel, mangan și cobalt, toate acționând ca un catod în cea mai comună configurație a bateriei vehiculelor electrice, după cum sa menționat.27 Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT) a analizat, de asemenea, acest proces pentru a ajuta părțile interesate să dezvolte procesul.28 de minerale de mare adâncime ar putea ajuta la scara de desfășurare a bateriei, pe măsură ce foamea noastră pentru totul încărcat electric crește.

politica internă

având în vedere provocările existente în lanțul de aprovizionare și foamea globală pentru baterii, U.S. factorii de decizie politică au căutat modalități de stimulare a dezvoltării interne a lanțurilor critice de aprovizionare cu minerale. Până în prezent, cea mai mare inițiativă de a stimula producția internă de minerale critice este Departamentul de stocare a energiei marea provocare. În linii mari, provocarea își propune să inoveze, să producă și să implementeze soluții de stocare a energiei în întregime în Statele Unite pentru a avea un portofoliu robust de stocare până în 2030. O parte semnificativă a acestui efort se concentrează pe asigurarea unui lanț de aprovizionare de producție internă pentru minerale critice, care implică progrese tehnologice, extinderea inovației și aprovizionarea fiabilă a materialelor.29 atingerea acestui obiectiv va necesita o explorare detaliată a capacităților Statelor Unite și o dezvoltare în mare parte a lanțului de aprovizionare.

pe frontul legislativ, bipartizan American Mineral Security Act (S. 1317) a fost introdus în 2019 și face parte în prezent din American Energy Innovation Act. Proiectul de lege direcționează guvernul federal să dezvolte instrumente pentru a evalua mai bine depozitele minerale din Statele Unite. De asemenea, autorizează cercetarea și dezvoltarea pentru prelucrarea și reciclarea mineralelor critice.30 un program de succes pentru producția de minerale din SUA se bazează pe informații exacte; acest proiect de lege ar putea oferi acea bază necesară pentru eforturile viitoare de producție a mineralelor.

mai vizat în domeniu, legea minereului senatorului Ted Cruz (S. 3694) își propune să reducă dependența de China prin susținerea producției SUA de minerale din pământuri rare. Proiectul de lege include deduceri fiscale pentru costul construirii minelor de pământuri rare și stimulente din partea cererii pentru utilizarea mineralelor produse pe plan intern.31 din 2019, Senator Marco Rubio ‘ s re-Coop 21st Century Manufacturing Act (S. 2093) ar autoriza un organism coordonator să supravegheze dezvoltarea unui lanț integrat de aprovizionare cu pământuri rare. Peste 80% din elementele de pământuri rare sunt importate din China — chiar și mineralele extrase în pasul montan din California sunt expediate în China pentru procesare — astfel încât aducerea lanțului de aprovizionare acasă ar putea reduce dependența de China.32,33

în SUA. Camera Reprezentanților, reprezentanții Michael Waltz (R-FL) și Paul Gosar (R-AZ) au introdus recent American critical Mineral Exploration and Innovation Act din 2020 (H. R. 7061), care stabilește un cadru pentru extinderea securității critice a mineralelor. Proiectul de lege transversal face acest lucru prin evaluarea extinsă a resurselor, cercetare și dezvoltare în tehnologii avansate de minerale critice și inițiative de dezvoltare a forței de muncă. Vizualizarea securității critice a mineralelor de la sol la industrie ajută la Stabilirea terenului pentru o realiniere a politicii critice a mineralelor din SUA care încurajează un lanț de aprovizionare intern.

o altă opțiune de reducere a dependenței de China este reciclarea. Astăzi, mai puțin de 5% din bateriile litiu-ion sunt reciclate, în primul rând pentru că procesul este neatractiv: este consumator de energie, produce subproduse toxice și se luptă să recupereze o cantitate semnificativă de material litiu. O singură companie americană, Retriev Technologies Inc.34,35 reciclează bateriile litiu-metal și litiu-ion la instalațiile sale din British Columbia și Lancaster, Ohio., Legea privind reciclarea bateriilor și a mineralelor critice din 2020 (S.3356) și Premiul de reciclare a bateriilor litiu-Ion al Departamentului Energiei din 2019 își propun să îmbunătățească reciclarea R&D și să stimuleze crearea de centre de reciclare interne.36,37

baterie mică, impact mare

lanțul de aprovizionare pentru litiu și alte minerale critice, o parte minusculă din punct de vedere fizic a stocării energiei și a vehiculelor electrice, este imens și complex. Acesta atinge probleme geopolitice, de mediu și economice care se află în prezent în afara controlului direct al SUA. Există componentele pentru a construi un lanț de aprovizionare de succes pentru stocarea americană a litiului și a energiei: rezervele de litiu, o forță de muncă capabilă, cererea internă și puterea economică. Cu toate acestea, pentru a lega cu succes aceste componente, SUA trebuie să abordeze strategic rețeaua de factori cu care se confruntă o baterie în călătoria sa în jurul globului și în buzunar.