Minerały i metale – kolejna bariera rozwoju energetyki

Energia jest surowcem niezbędnym do napędzania rozwoju gospodarczego. Jej pozyskiwaniu ze źródeł kopalnych od zawsze towarzyszył lęk o wielkość zasobów. Lęk ten mobilizował do poszukiwania rozwiązań, przełamujących tę barierę rozwoju.

Fracking i odnawialne źródła energii

Najbardziej obiecująco zapowiadały się odnawialne źródła energii oraz energia nuklearna, równolegle inwestowano w poprawę efektywności energetycznej. Paradoksalnie prawdziwym jokerem stały się jednak innowacyjne technologie, zwielokrotniające wydobywalne zasoby gazu ziemnego i ropy naftowej poprzez sięganie bezpośrednio do skał macierzystych (tzw. fracking).

Potencjał frackingu, któremu zawdzięczamy spektakularny spadek cen ropy naftowej i gazu, ujawnił się w czasie, gdy widoczna była już kolejna bariera, w postaci nadmiernych emisji dwutlenku węgla i metanu. Nakierowanie rozwoju na niskoemisyjne tory spowodowało, że na znaczeniu ponownie zyskały  odnawialne źródła energii, zwłaszcza niewyczerpywalne, jak energia wiatrowa i słoneczna. W ostatnich latach te dwa źródła stanowiły ponad połowę nowych mocy wytwórczych. Według McKinsey'a w 2050 r. pozyskiwanie energii słonecznej i wiatrowej będzie odpowiednio 60 i 13 razy większe niż w 2015 r.

Rośnie konsumpcja metali rzadkich

Może się wydawać, że skoro mamy niskoemisyjne technologie, czerpiące energię bezpośrednio z niezniszczalnych źródeł, to poprzez ich dalszy rozwój bariera dostępu do ekologicznej energii zostanie pokonana raz na zawsze. Nie jest to jednak prawda, ponieważ oprócz energii, która jest niewyczerpywalna, w procesie rozwoju zużywamy inne zasoby naturalne. Tempo, w jakim korzystamy z powietrza, wody, minerałów i metali ziem rzadkich stało się realnym wyzwaniem ekonomicznym. Konsumpcja metali w ciągu ubiegłego stulecia rosła zdumiewająco szybko. Ludzie używają teraz sześć razy więcej żelaza na osobę niż 100 lat temu, co wymaga 26-krotnego zwiększenia wydobycia rudy żelaza.

W produkcji nowoczesnej elektroniki, od smartfonów i akumulatorów po zaawansowane systemy uzbrojenia, wykorzystywane są krytyczne  metale, takie jak lit, miedź, uran, złoto i pierwiastki ziem rzadkich. Metale rzadkie są też szczególnie istotne dla technologii pozyskiwania i wykorzystania energii odnawialnej, takich jak panele słoneczne  i samochody elektryczne. Dla przykładu: panele słoneczne potrzebują telluru, jednego z najrzadszych pierwiastków na Ziemi, a samochód Tesla wymaga około 7 kg litu (waga kuli do kręgli). Rosnący popyt na energię ze źródeł niewyczerpywalnych rodzi kolejną barierę, jaką staje się dostęp do krytycznych minerałów i metali ziem rzadkich.

Naukowcy zwracają jednak uwagę, że technologia zmieniła sposób wykorzystania zasobów. Budowanie tak wielkich konstrukcji jak wieża Eiffla czy most Golden Gate wymagało kiedyś dużych ilości metali, takich jak żelazo i stal. Dzisiaj nowoczesny smartfon wykorzystuje większość pierwiastków z układu okresowego, ale nowoczesna elektronika wymaga bardzo niewielkich ilości krytycznych elementów i nie ma ryzyka, że ich w ogóle zabraknie. Jest natomiast ryzyko zakłócenia łańcucha dostaw.

Znaczenie minerałów dla bezpieczeństwa gospodarczego

W grudniu 2018 roku na Uniwersytecie Stanforda odbyła się interesująca konferencja na temat wzrostu znaczenia minerałów dla bezpieczeństwa gospodarczego. Obok naukowców wypowiadali się na ten temat eksperci z przemysłu i agencji rządowych. Ich zdaniem ryzyko zakłóceń łańcucha dostaw silnie wzrasta, a zakłócenia te mogą mieć wiele form, w tym ekonomicznych i politycznych. Krytyczne i rzadkie minerały są często produktami ubocznymi znacznie większych operacji mineralnych, takich jak pozyskiwanie miedzi, więc jeśli spada cena miedzi, to produkcja tych krytycznych elementów będzie również zagrożona.

Ważne jest także to, że produkcja wielu istotnych elementów koncentruje się w zaledwie kilku państwach, przede wszystkim w Chinach, które wydobywają 93% światowych pierwiastków ziem rzadkich. Gdyby porty w Chinach zostały zniszczone przez klęski żywiołowe, takie jak tsunami, miałoby to poważne konsekwencje dla światowego handlu tymi pierwiastkami i w konsekwencji – dla wiodących gospodarek. Dlatego np. w takich krajach jak USA rośnie znaczenie mapowania obecności minerałów za pomocą najnowocześniejszych geofizycznych narzędzi obrazowania, takich jak LIDAR i obrazowania hiperspektralnego.  Prace te powinny się szybko rozpocząć, ze względu na istnienie około 12-letniego opóźnienia pomiędzy odkryciem złóż danego minerału a uruchomieniem jego produkcji.

Innowacje technologiczne w pozyskiwaniu metali rzadkich

Uczestnicy konferencji na Uniwersytecie Stanforda wskazali, że w ograniczeniu ryzyka perturbacji w łańcuchu dostaw mogą pomóc trzy rodzaje innowacji:

• powiększające wydobycie. Naukowcy wykazali, że warstwy gliny w dużych kraterach super-wulkanicznych na całym świecie (utworzony przez poważne erupcje prowadzącą do zawalenia się ujścia wulkanu) zawierają duże osady litu. Jeśli zostanie opracowana technologia taniego wyodrębnienia litu z gliny, to nastąpi dywersyfikacji globalnej podaży litu, który jest obecnie produkowany głównie w Chile i Australii ze źródeł innych niż glina, co może istotnie zmienić rynek litu w przyszłości.
• redukujące odpady. Innowacje technologiczne mogą również przyczynić się do zmniejszenia odpadów krytycznych minerałów na etapie produkcji. Na przykład około połowa neodymu, wykorzystywanego w materiałach magnetycznych ląduje na podłodze w fabryce, ponieważ tak wygląda produkcji magnesu.
• zmniejszające zużycie. Naukowcy i inżynierowie badają sposoby dalszego zminimalizowania ilości krytycznych i rzadkich minerałów potrzebnych do elektroniki.

Należy podkreślić, że administracja amerykańska nie czeka z założonymi rękoma na rozwój wydarzeń, lecz też bierze sprawy w swoje ręce. Na koniec  grudnia 2017 prezydent Stanów Zjednoczonych, Donald Trump opublikował rozporządzenie wykonawcze „Strategia federalna w celu zapewnienia bezpiecznych i niezawodnych dostaw krytycznych minerałów”, w którym w sekcji 3 (Polityka) czytamy między innymi: „Polityką rządu federalnego będzie zmniejszenie podatności Narodu na zakłócenia w dostawach krytycznych minerałów, które mają strategiczny wpływ na bezpieczeństwo i dobrobyt Stanów Zjednoczonych. Stany Zjednoczone będą kontynuować tę politykę [..] poprzez: a) identyfikację nowych źródeł krytycznych minerałów; (b) zwiększenie aktywności na wszystkich poziomach łańcucha dostaw, w tym poszukiwanie, wydobycie, koncentracja, separacja, tworzenie stopów, recykling i ponowne przetwarzanie kluczowych minerałów; (c) zapewnienie, że nasi górnicy i producenci mają elektroniczny dostęp do najbardziej zaawansowanych danych topograficznych, geologicznych i geofizycznych na terytorium USA [..] (d) usprawnienie procesów leasingu i udzielania pozwoleń w celu przyspieszenia poszukiwań, produkcji, przetwarzania, ponownego przetwarzania, recyklingu i rafinacji krytycznych minerałów.” W ślad za tym rozporządzeniem, amerykański instytut geologiczny (USGS) opracował i opublikował w maju 2018 listę 35 minerałów, uznanych za krytyczne dla bezpieczeństwa narodowego USA i gospodarki.

Lista minerałów uznanych za krytyczne dla bezpieczeństwa narodowego USA

Pełna lista najważniejszych minerałów obejmuje następujące elementy: kliknij nazwę minerału, aby znaleźć odpowiednie statystyki i publikacje:

• Aluminum (bauxite), używany prawie we wszystkich sektorach gospodarki
• Antimony, używany w bateriach i materiałach zmniejszających palność
• Arsenic, używany jako konserwant do drewna, w pestycydach i półprzewodnikach
• Barite, stosowany w przemyśle cementowym i naftowym
• Beryllium, stosowany jako środek stopowy w przemyśle lotniczym i obronnym
• Bismuth, stosowany w badaniach medycznych i atomowych
• Cesium, stosowany w produkcji fotokomórek i czujnikach promieniowania podczerwonego
• Chromium, stosowany głównie w produkcji stali nierdzewnej i innych stopów
• Cobalt, stosowany w akumulatorach i stopach o wysokich parametrach
• Fluorspar, stosowany do produkcji aluminium, benzyny i paliwa jądrowego
• Gallium, używany do układów scalonych i urządzeń optycznych, takich jak diody LED
• Germanium, stosowany do produkcji światłowodów i noktowizorów
• Graphite (natural), stosowany przy produkcji smarów, baterii i ogniw paliwowych
• Hafnium, stosowany przy produkcji prętów kontroli jądrowej, róznych stopów i ceramiki technicznej
• Helium, używany głównie jako gaz nośny i czynnik chłodzący
• Indium, stosowany przy produkcji ekranów LCD
• Lithium, używany przede wszystkim do produkcji akumulatorów
• Magnesium, stosowany w okładzinach pieców, przy produkcji stali i ceramiki
• Manganese, stosowany w produkcji stali
• Niobium, stosowany głównie w stopach stali
• Platinum group metals, stosowane jako czynniki katalityczne
• Potash, stosowany głównie jako nawóz
• Rare earth elements group, stosowane głównie w bateriach i elektronice
• Rhenium, stosowany w produkcji benzyny bezołowiowej i nadstopów
• Rubidium, stosowany przy badaniach medycznych i w rozwoju elektroniki
• Scandium, używany do stopów i ogniw paliwowych
• Strontium, stosowany w pirotechnice i prz produkcji magnesów ceramicznych
• Tantalum, stosowany w elementach elektronicznych, głównie kondensatorach
• Tellurium, stosowany w produkcji stali i ogniw słonecznych
• Tin, stosowana jako powłoka ochronna i stopy do stali
• Titanium, przeważnie stosowany jako biały pigment w farbach lub jako stopy metali o podwyższonej wytrzymałości
• Tungsten, używany głównie do produkcji metali odpornych na zużycie
• Uranium, głównie stosowany do produkcji paliwa jądrowego
• Vanadium, stosowany głównie do stopów tytanu
• Zirconium, stosowany w przemyśle ceramiki technicznej

Uczestnicy konferencji w Stanfordzie są zdania, że rząd amerykański powinien uruchomić analogiczny program wsparcia innowacyjnych technologii pozyskiwania tych minerałów do tego, który doprowadził do uniezależnienia się USA od importu gazu i ropy naftowej. Warto śledzić dalszy rozwój wydarzeń i wyciągać lekcje dla Polski.