آیا كمبود مواد خام بحرانی، می‌تواند گذار انرژی را متوقف كند؟

به گزارش قلم کارون، در مطالعه جدیدی که در نشریه معتبر Mineral Economics منتشر شده، تصویری نگران‌کننده از این چالش ارائه می‌دهد: افزایش ۱۲۱ برابری تقاضا برای باتری‌های لیتیومی، رشد ۱۲ برابری نیاز به سلول‌های خورشیدی و جهش ۷ برابری تقاضا برای توربین‌های بادی تا سال ۲۰۵۰. این در حالی است که زمان توسعه معادن جدید از ۸ به ۱۲ سال افزایش یافته و تسلط چین بر فرآوری این مواد، نگرانی‌های ژئوپلیتیک را دوچندان کرده است. با این حال، این چالش فرصت‌های جدیدی نیز خلق کرده است. از معدنکاری شهری که زباله‌های الکترونیکی را به منابع ارزشمند تبدیل می‌کند تا نوآوری‌های شگفت‌انگیز در استخراج مواد معدنی از آب دریا، موجی از راه‌حل‌های خلاقانه در حال ظهور است. تصمیم تسلا برای تغییر فرمول باتری‌هایش نیز نشان داده که چگونه نوآوری می‌تواند معادلات زنجیره تأمین را تغییر دهد.

برای درک عمق چالش کنونی، کافی است به این نکته توجه کنیم که ساخت یک توربین بادی ۳ مگاواتی به بیش از دو تن عناصر نادر خاکی نیاز دارد، موادی که فرآوری ۹۸ درصد آنها در انحصار چین است. این وضعیت تنها یک نمونه از پیچیدگی‌های زنجیره تأمین انرژی‌های پاک است. اگرچه ذخایر زمین‌شناختی این مواد برای تأمین نیازهای آینده کافی به نظر می‌رسد، اما دسترسی پایدار و مسئولانه به آنها چالشی چندوجهی است که از معدنکاری تا ژئوپلیتیک را در بر می‌گیرد. این گزارش با بررسی دقیق چهار حوزه کلیدی – از بازی خطرناک چین با کارت مواد بحرانی تا راه‌حل‌های نوآورانه آینده – تلاش می‌کند تصویری جامع از چالش‌ها و فرصت‌های پیش رو ارائه دهد. نکته کلیدی که در تمام این تحلیل‌ها برجسته است، ضرورت اتخاذ رویکردی چندجانبه برای حل این چالش پیچیده است.

بازی خطرناک چین با کارت مواد بحرانی

امروز حدود ۶۳ درصد از تولید جهانی اورانیوم با روش استخراج درجا انجام می‌شود، اما این تنها بخشی از داستان است. انقلاب انرژی پاک نیازمند طیف گسترده‌ای از مواد خام بحرانی است که بخش عمده فرآوری آنها در اختیار چین قرار دارد. از کبالت و لیتیوم گرفته تا عناصر نادر خاکی و ژرمانیوم، همگی در زنجیره‌ای قرار دارند که سر نخ آن به پکن می‌رسد. این انحصار که نتیجه سرمایه‌گذاری هوشمندانه چین در دو دهه گذشته است، حالا به یک چالش امنیت ملی برای غرب تبدیل شده است. آژانس بین‌المللی انرژی در گزارش اخیر خود هشدار می‌دهد که عدم تطابق قابل توجهی بین میزان مواد مورد نیاز برای تحقق اهداف اقلیمی و ظرفیت تولید معادن فعلی وجود دارد. تنها در مورد لیتیوم، کبالت و مس، شکاف بین عرضه و تقاضا در سناریوی توسعه پایدار به حدی است که نیازمند سرمایه‌گذاری فوری و گسترده در توسعه معادن جدید است.

این وضعیت زمانی نگران‌کننده‌تر می‌شود که به زمان توسعه معادن جدید نگاه کنیم. بررسی ۶۷ پروژه معدنی نیکل در سه دهه گذشته نشان می‌دهد که میانه زمان لازم از شروع اکتشاف تا آغاز تولید تجاری از ۸ سال به ۱۲ سال افزایش یافته است. این افزایش که عمدتاً ناشی از پیچیدگی‌های زیست‌محیطی و اجتماعی است، تطابق سریع عرضه با تقاضای فزاینده را دشوارتر می‌کند. اما مسئله فقط کمبود مواد نیست. توزیع نامتوازن جغرافیایی معادن و به ویژه تسلط چین بر فرآوری این مواد، ریسک‌های ژئوپلیتیک جدی ایجاد کرده است. تجربه استفاده از عناصر نادر خاکی به عنوان اهرم فشار توسط چین در سال ۲۰۱۰ علیه ژاپن، نشان داد که این مواد می‌توانند به سلاحی استراتژیک در منازعات بین‌المللی تبدیل شوند.

بخش دیگری از چالش به پیچیدگی‌های فنی و زیست‌محیطی فرآوری این مواد برمی‌گردد. استخراج و فرآوری مواد خام بحرانی نیازمند مصرف قابل توجه انرژی، آب و مواد شیمیایی است. همزمان، کاهش عیار معادن باعث افزایش اثرات زیست‌محیطی و هزینه‌های تولید شده است. این وضعیت ما را در یک چرخه پیچیده قرار می‌دهد: برای دستیابی به مواد پایدارتر به انرژی پاک نیاز داریم و برای تولید انرژی پاک به مواد پایدارتر.

انقلاب خاموش صنعت باتری‌سازی

وقتی ایلان ماسک در سال ۲۰۲۰ اعلام کرد تسلا به سمت باتری‌های LFP حرکت می‌کند، بسیاری این تصمیم را اشتباهی استراتژیک می‌دانستند. امروز اما این تصمیم به الگویی برای صنعت باتری‌سازی تبدیل شده است. داستان این تغییر نشان می‌دهد چگونه نوآوری می‌تواند معادلات زنجیره تأمین را تغییر دهد. باتری‌های NMC (نیکل-منگنز-کبالت) که زمانی استاندارد صنعت خودروهای برقی بودند، به شدت به کبالت وابسته هستند؛ ماده‌ای که بیش از ۷۰ درصد آن از معادن جمهوری دموکراتیک کنگو تأمین می‌شود و فرآوری آن در انحصار چین است. علاوه بر ریسک‌های زنجیره تأمین، نگرانی‌های جدی درباره شرایط استخراج کبالت در کنگو، از جمله استفاده از کودکان کار، وجود دارد. در مقابل، باتری‌های LFP از مواد فراوان‌تر و ارزان‌تر مانند آهن و فسفات استفاده می‌کنند. اما این تنها بخشی از تحول در صنعت باتری‌سازی است. پیشرفت‌های فنی در حوزه بازیافت باتری نیز چشم‌انداز تازه‌ای پیش روی این صنعت قرار داده است. فناوری‌های جدید بازیافت می‌توانند تا ۹۵ درصد از مواد ارزشمند باتری‌ها را بازیابی کنند. این در حالی است که چالش اصلی در حال حاضر نه فناوری بازیافت، بلکه کمبود باتری‌های پایان عمر برای بازیافت است.

تجربه صنعت باتری‌سازی درس‌های مهمی برای سایر بخش‌های انرژی پاک دارد. نخست اینکه نوآوری می‌تواند راه‌حل‌هایی برای کاهش وابستگی به مواد بحرانی ارائه دهد. دوم اینکه طراحی برای بازیافت باید از همان ابتدای توسعه محصول مورد توجه قرار گیرد. و سوم اینکه گذار به اقتصاد چرخشی در حوزه مواد بحرانی، فرآیندی تدریجی است که به زمان نیاز دارد. همزمان، مسابقه‌ای جهانی برای ایجاد زنجیره تأمین باتری آغاز شده است. اتحادیه اروپا با معرفی استانداردهای جدید باتری، الزاماتی برای محتوای بازیافتی و ردپای کربن تعیین کرده است. آمریکا نیز با قانون کاهش تورم، مشوق‌های قابل توجهی برای توسعه تولید داخلی باتری در نظر گرفته است. این اقدامات نشان می‌دهد چگونه سیاست‌گذاری می‌تواند به شکل‌گیری زنجیره‌های تأمین پایدارتر کمک کند.

گنج پنهان در زباله‌های الکترونیکی

پشت نمای براق مراکز بازیافت مدرن، انقلابی در حال شکل‌گیری است که می‌تواند معادله تأمین مواد خام بحرانی را تغییر دهد. «معدنکاری شهری» اصطلاحی است که برای توصیف استخراج فلزات ارزشمند از زباله‌های الکترونیکی به کار می‌رود و آمارها نشان می‌دهد این معادن شهری گاه از معادن طبیعی غنی‌تر هستند. یک تلفن همراه هوشمند حاوی غلظتی از فلزات گروه پلاتین است که ده‌ها برابر بیشتر از سنگ معدن این فلزات است. تنها در سال ۲۰۲۳، بیش از ۱.۴ میلیارد گوشی هوشمند در جهان فروخته شد. اگر تنها ۵۰ درصد از این دستگاه‌ها در پایان عمر خود بازیافت شوند، می‌توانند بخش قابل توجهی از نیاز صنایع انرژی پاک به فلزات کمیاب را تأمین کنند.

اما چالش اصلی در معدنکاری شهری، جمع‌آوری و پردازش کارآمد زباله‌های الکترونیکی است. برخلاف معادن سنتی که مواد معدنی در یک محل متمرکز هستند، زباله‌های الکترونیکی در سطح شهرها پراکنده‌اند. علاوه بر این، طراحی محصولات الکترونیکی به گونه‌ای است که جداسازی و بازیافت قطعات آنها دشوار است. در این میان، شرکت‌های پیشرو با استفاده از هوش مصنوعی و روباتیک، فرآیند جداسازی و بازیافت را متحول کرده‌اند. در یک کارخانه بازیافت پیشرفته در فنلاند، روبات‌های مجهز به هوش مصنوعی می‌توانند در هر ساعت صدها دستگاه الکترونیکی را اسکن و به اجزای سازنده تفکیک کنند. این فناوری نه تنها سرعت و دقت بازیافت را افزایش داده، بلکه هزینه‌های آن را نیز کاهش داده است. نکته جالب اینجاست که برخلاف معدنکاری سنتی که با مقاومت‌های محلی (NIMBY) روبروست، معدنکاری شهری از حمایت عمومی بیشتری برخوردار است. این فعالیت نه تنها به کاهش زباله‌های الکترونیکی کمک می‌کند، بلکه مشاغل سبز ایجاد می‌کند و وابستگی به واردات مواد خام را کاهش می‌دهد.

از دریا تا آزمایشگاه

در حالی که بحث بر سر تأمین مواد خام بحرانی همچنان داغ است، پژوهشگران و شرکت‌های نوآور در حال آزمودن راه‌حل‌های خلاقانه‌ای هستند که می‌تواند آینده انرژی‌های پاک را متحول کند. از استخراج مواد معدنی از آب دریا تا تولید مواد اولیه در آزمایشگاه، این نوآوری‌ها مرزهای دانش و فناوری را به چالش می‌کشند. آب اقیانوس‌ها حاوی تقریباً تمام عناصر جدول تناوبی است. اگرچه غلظت این عناصر بسیار پایین است، اما حجم عظیم آب‌های جهان آنها را به منبعی بالقوه تبدیل می‌کند. پژوهشگران موفق شده‌اند با استفاده از غشاهای نانویی جدید، لیتیوم را با کارایی بالا از آب دریا استخراج کنند. همچنین، پساب کارخانه‌های نمک‌زدایی که غلظت بالاتری از مواد معدنی دارد، می‌تواند منبع ارزشمندی برای استخراج این مواد باشد.

در جبهه دیگر، پیشرفت‌های حوزه زیست‌فناوری راه را برای تولید مواد معدنی با کمک میکروارگانیسم‌ها هموار کرده است. باکتری‌های خاصی می‌توانند با مصرف ضایعات معدنی کم عیار، فلزات ارزشمند را تغلیظ کنند. این فرآیند که به «بیولیچینگ» معروف است، نه تنها از نظر زیست‌محیطی پایدارتر است، بلکه می‌تواند معادنی را که با روش‌های سنتی غیراقتصادی هستند، سودآور کند. همزمان، پیشرفت در فناوری‌های جایگزینی مواد نیز امیدوارکننده است. برای مثال، محققان موفق شده‌اند کاتالیزورهای جدیدی برای الکترولیزرهای آب توسعه دهند که به جای پلاتین و ایریدیوم کمیاب، از مواد فراوان‌تر استفاده می‌کنند. در حوزه باتری‌ها نیز، نسل جدیدی از فناوری‌ها در حال ظهور است که وابستگی کمتری به مواد خام بحرانی دارند. با این حال، نکته کلیدی این است که هیچ راه‌حل منفردی نمی‌تواند به تنهایی چالش تأمین مواد خام را حل کند. موفقیت در این مسیر نیازمند رویکردی جامع است که همه گزینه‌ها را از بهینه‌سازی مصرف تا بازیافت و نوآوری در بر می‌گیرد.