Циклические стратегии для критически важных минералов в США

Основные выводы: 

• Соединенные Штаты по-прежнему сильно зависят от импорта важнейших минералов, необходимых для перехода к чистой энергетике и повседневных технологий. 

• Стратегии экономики замкнутого цикла помогают укрепить внутреннюю цепочку поставок за счет снижения зависимости от первичных материалов и импорта. 

• Методы переработки и вторичной рекуперации позволяют использовать выброшенные продукты и отходы для извлечения важнейших минералов и их повторного ввода в оборот. 

Критически важные минералы  являются  неотъемлемой  частью повседневной жизни – от энергетики, связи и бытовой электроники до транспорта и здравоохранения. Эти минералы также являются основой перехода к чистой энергетике. Такие минералы, как литий, кобальт и никель, являются  ключевыми  компонентами для современных аккумуляторов, используемых в электромобилях (ЭМ) и системах накопления энергии. Неодим и диспрозий  необходимы  для постоянных магнитов в электромобилях и ветряных турбинах. Теллур и кадмий используются  в  солнечных батареях, а алюминий – важнейший компонент современных линий электропередачи. Даже топливо нового поколения, такое как  возобновляемый водород,  основано на  платине, никеле или иридии . 

США зависят от Китая и других стран в плане поставок важнейших минералов 

Соединенные Штаты добывают  37 из 50  критически важных минералов, определенных Геологической службой США, путем добычи, вторичного восстановления или переработки. Однако у них нет сильной внутренней цепочки поставок, что делает страну сильно зависимой от импорта для большинства ее потребностей в минералах. В 2024 году Соединенные Штаты полагались на импорт  100%  12 критически важных минералов и более чем на  50%  еще 28 минералов. Китай доминирует в глобальных цепочках поставок, будучи крупнейшим производителем  60%  обозначенных США критически важных минералов. Китай также является ведущим источником импорта США по  девяти из 13  минералов, от импорта которых Соединенные Штаты наиболее зависимы. Соединенные Штаты также зависят от  Канады, Японии и Южной Африки  в плане критически важных минералов. 

Как показывает эта зависимость, лишь  небольшая часть  стран производит основную часть критически важных минеральных ресурсов в мире. Этот факт, в сочетании с  длительными сроками реализации горнодобывающих проектов в США, волатильностью цен на минеральные ресурсы и геополитическим конфликтом, сделал страну уязвимой к сбоям в цепочках поставок. Поиск альтернативных внутренних источников критически важных минеральных ресурсов может снизить уязвимость к этим сбоям, одновременно способствуя переходу к чистой энергетике. 

Подход циклической экономики

Одна из стратегий снижения зависимости — переход к более циклической экономике. В отличие от традиционной линейной модели « берём-производим-отходы », циклическая экономика возникает, когда компании сокращают использование материалов, модернизируют продукты, чтобы уменьшить их потребление, и используют отходы в качестве ресурса для нового производства. Такой  подход  повышает эффективность использования ресурсов, сокращает количество отходов, снижает нагрузку на экосистемы и снижает выбросы парниковых газов. Он также открывает возможности для новых рынков и создания рабочих мест за счёт расширения отраслей, занимающихся переработкой и восстановлением, а также благодаря поддержке новых бизнес-моделей, таких как  лизинг продукции  и  «продукт как услуга» .

Повышение эффективности использования ресурсов и использование внутренних источников особенно важно для критически важных минералов. По мере роста спроса на чистую энергию и другие критически важные технологии, основанные на использовании минералов, ожидается  рост потребности в таких минералах, как литий, кобальт, никель и марганец .  Стратегии замкнутого цикла,  такие как переработка и  вторичное извлечение  , могут помочь удовлетворить этот растущий спрос за счет внутренних поставок, не прибегая к горнодобывающей промышленности и сопутствующему ей ущербу для окружающей среды. Реорганизация цепочки поставок критически важных минералов страны с приоритетом цикличности может способствовать усилиям по обеспечению устойчивого развития и способствовать более безопасному энергетическому будущему. 

Замыкаем цикл: переработка аккумуляторов

Переработка — одна из важнейших стратегий обеспечения доступа к критически важным минералам. Переработка минералов может помочь снизить зависимость от импорта, сократить отходы и ограничить воздействие горнодобывающей промышленности и утилизации отходов на окружающую среду. Действительно, по мере того, как всё больше продуктов, содержащих критически важные минералы, достигают конца своего жизненного цикла, они оказываются на свалках, потенциально нанося вред окружающей среде и  непропорционально сильно  затрагивая малообеспеченные слои населения, а также чернокожее, коренное и цветное население (BIPOC). 

Переработка литий-ионных аккумуляторов , особенно аккумуляторов электромобилей, открывает значительные возможности. Переработка аккумуляторов может снизить спрос на добываемый литий, никель и кобальт примерно на  10% . Несмотря на этот потенциал, менее  15%  литий-ионных аккумуляторов в США перерабатываются  из-за  неэффективных и нестабильных систем сбора и ограниченной инфраструктуры переработки. 

В настоящее время наиболее значимая переработка минералов осуществляется методами  пирометаллургии и гидрометаллургии . В пирометаллургии аккумуляторы плавятся при высоких температурах для извлечения металлов, тогда как в гидрометаллургии для выщелачивания минералов из  катодов аккумуляторов , где и находятся критически важные минералы, используются кислоты. Хотя оба метода эффективны, они также являются дорогостоящими и ресурсоёмкими.

Однако новые технологии начинают повышать доступность и экологичность переработки минералов. Исследователи разрабатывают два процесса:  экстракцию органическими кислотами  и  глубокие эвтектические растворители , которые повышают эффективность и снижают воздействие гидрометаллургии на окружающую среду. Ещё одной широко распространённой инновацией является  прямая переработка , также известная как переработка «от катода к катоду», при которой катодные материалы восстанавливаются для немедленного повторного использования, а не разлагаются на основные металлы. 

Конструкция аккумулятора играет решающую роль в общей пригодности к переработке. Сложная разборка — серьёзное препятствие для масштабирования переработки. В настоящее время многие аккумуляторы электромобилей  изготавливаются  с использованием винтов и сварных соединений, что затрудняет и удлиняет их демонтаж. Чтобы решить эту проблему,  исследователи  из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли экспериментируют с новым  быстроразъемным креплением Quick-ReleaseTM  , которое может заменить традиционные крепёжные элементы, обеспечивая более экономичный и эффективный демонтаж. Проектирование аккумуляторов с учётом возможности переработки с самого начала гарантирует рентабельность извлечения минералов. 

Хотя переработка сама по себе не может удовлетворить потребности США в критически важных минералах, она критически важна для обеспечения внутренней цепочки поставок. Извлекая минералы, которые в противном случае оказались бы на свалках, и возвращая их в оборот, США могут укрепить свою цепочку поставок, одновременно защищая уязвимые сообщества. 

Вторичное восстановление

В то время как переработка ориентирована на продукты, уже находящиеся в обращении, вторичная рекуперация нацелена на побочные продукты, или «хвосты», добычи, переработки и производства критически важных минералов. Исторически эти отходы использовались недостаточно из-за их опасности для окружающей среды и здоровья, но при правильной обработке их можно преобразовать в новые отечественные источники критически важных минералов. 

Дренаж кислых шахтных вод

Только на федеральных землях насчитывается  140 000 заброшенных шахтных объектов,  ежегодная рекультивация которых   обходится федеральному правительству в  287 миллионов долларов . Кислотный шахтный дренаж  (AMD) является одной из самых серьезных проблем, связанных с заброшенными шахтами, загрязняя  12 400  миль  ручьев и рек  в Соединенных Штатах. Когда шахты закрываются, они оставляют после себя карьеры, в которых собирается дождевая вода. Эта вода реагирует с сульфидными минералами из обнаженных пород и кислородом, образуя серную кислоту, которая, в свою очередь, растворяет тяжелые металлы из пород в воде. Как только карьер достигает своего максимального уровня, он переливается в окружающий водораздел, загрязняя окружающую среду. Загрязненная вода AMD также содержит  критически важные минералы . 

Новые методы очистки могут одновременно очищать воду и улавливать эти минералы. Например, двухэтапный процесс, разработанный в Университете штата Пенсильвания, добавляет углекислый газ в AMD для создания твердых веществ, содержащих критические минералы, которые можно отделить от воды. В Аппалачах было обнаружено, что твердые вещества, собранные при обработке AMD, содержат более  2000 миллиграммов  редкоземельных элементов на килограмм материала, что оценивается в  400 долларов за метрическую тонну . Исследование  пилотной установки по восстановлению,  проведенное Университетом Западной Вирджинии, подтвердило, что восстановление может быть как технически осуществимым, так и экономически жизнеспособным в больших масштабах, с  положительной отдачей и окупаемостью в течение нескольких лет . Эти высокие показатели были подтверждены для AMD из  угольных  и  рудных  шахт, что указывает на то, что восстановление AMD применимо ко многим заброшенным шахтам по всей территории Соединенных Штатов. 

Отходы фосфатных удобрений

Ещё одна перспективная возможность вторичного извлечения критически важных минералов связана с производством удобрений. Производство фосфатных удобрений приводит к образованию больших объёмов отходов фосфогипса — около  5 тонн  на каждую тонну добытого фосфата. Эти радиоактивные отходы, обычно хранящиеся в больших отвалах на полигонах опасных отходов, содержат высокие концентрации критически важных минералов. 

Хотя химические методы экстракции отходов удобрений являются более экспериментальными, чем метод извлечения AMD, они успешно извлекают из  фосфогипса 77–94%  редкоземельных  элементов  (РЗЭ), подгруппы критически важных минералов. Более поздние исследования биологических методов экстракции показали, что  биокислоты могут выщелачивать РЗЭ при более слабой кислотности, чем минеральные кислоты, что снижает потенциальное воздействие на окружающую среду.  Для извлечения требуется   концентрация РЗЭ в фосфогипсе всего  4% . Добавление специальных полимеров  к отходам удобрений позволяет дополнительно концентрировать РЗЭ, что упрощает извлечение. 

Исследователи теперь стремятся масштабировать эти методы и повысить урожайность.  Эксперты  подчёркивают, что извлечение становится наиболее эффективным, когда добывающие мощности располагаются рядом с действующими предприятиями по добыче фосфатов, где отходы уже собираются и перерабатываются. Совместное размещение снижает транспортные и инфраструктурные расходы, позволяя системам извлечения использовать существующие мощности отрасли производства удобрений.

Циклическое будущее

Критически важные минералы необходимы для повседневной жизни и перехода к чистой энергетике. Вызывает беспокойство тот факт, что Соединенные Штаты по-прежнему сильно зависят от импорта, обеспечивая большую часть своих поставок. Стратегии экономики замкнутого цикла, в частности, переработка и вторичная рекуперация, предлагают практические способы снижения зависимости, одновременно расширяя экономические и экологические возможности.

В марте 2025 года президент Трамп подписал  указ,  устанавливающий приоритет отечественного производства критически важных минералов. Министерство энергетики выделило почти  1 миллиард долларов  на новые проекты по переработке аккумуляторов, расширению извлечения из побочных продуктов горнодобывающей промышленности и металлургии, а также на демонстрационные проекты по извлечению и обогащению редкоземельных металлов. Конгресс также продемонстрировал двухпартийную поддержку, приняв  Закон о содействии устойчивым цепочкам поставок 2025 года  ( HR2444 / S.257 ) и  Закон о Межправительственной рабочей группе по критически важным минералам  ( HR3198 / S.823 ). 

Даже при таком растущем объеме деятельности по-прежнему необходима дополнительная федеральная поддержка, включая долгосрочную поддержку инфраструктуры переработки отходов, расширение общенациональных предприятий по вторичной переработке и более четкие стандарты для интеграции принципов циклической экономики в планирование цепочки поставок. 

Источник: https://www.eesi.org/articles/view/from-scrap-to-supply-circular-strategies-for-critical-minerals