برای انرژی پاک
چرا وزارت انرژی آمریکا مس را به فهرست مواد حیاتی خود اضافه کرد؟
وزارت انرژی ایالات‌متحده (DOE) هفته گذشته به‌طور رسمی مس را به فهرست مواد حیاتی خود اضافه کرد. این برای نخستین‌بار است که یک آژانس دولتی ایالات‌متحده مس را در یکی از فهرست‌های رسمی «بحرانی» خود قرار داده است. پیش از این اتحادیه اروپا، ژاپن، هند، کانادا و چین چنین اقدامی را انجام داده بودند.
گزارش ارزیابی مواد حیاتی 2023 که مواد را از نظر اهمیت آنها برای زنجیره‌های تامین فناوری انرژی پاک جهانی ارزیابی می‌کند، بر موادی تمرکز دارد که اختلال در زنجیره عرضه آنها، مشکلات زیادی را برای فناوری‌های انرژی پاک به وجود می‌آورد.
فهرست مواد حیاتی وزارت انرژی آمریکا واجد شرایط بودن اعتبارات مالیاتی تحت قانون کاهش تورم 48C را نشان می‌دهد. فهرست نهایی شامل آلومینیوم، کبالت، مس، دیسپروزیم، فولاد الکتریکی، فلوئور، گالیم، ایریدیم، لیتیوم، منیزیم، گرافیت طبیعی، نئودیمیم، نیکل، پلاتین، پراسئودیمیم، تربیم، سیلیکون و کاربید سیلیکون است.
الخاندرو مورنو، دستیار دبیر دفتر کارایی انرژی و انرژی‌های تجدیدپذیر وزارت انرژی در بیانیه‌ای گفت: «از آنجا که کشور ما به گذار به اقتصاد انرژی پاک ادامه می‌دهد، این وظیفه ماست که زنجیره‌های تامین مواد حیاتی مورد نیاز برای تولید امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های تولید، انتقال، ذخیره‌سازی و استفاده نهایی از انرژی پاک، از جمله پنل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی، نیروگاه‌های تجدیدپذیر و خودروهای برقی را فراهم کنیم.»
مورنو گفت، شناسایی و کاهش بحران مواد در حال حاضر تضمین می‌کند که آینده انرژی پاک «برای دهه‌های آینده» امکان‌پذیر است.
اندرو کرتا جونیور، مدیرعامل انجمن توسعه مس، در بیانیه‌ای جداگانه گفت: «انجمن توسعه مس (CDA) به وزارت انرژی به دلیل تحلیل متفکرانه و آینده‌نگرش که به گنجاندن مس در فهرست مواد حیاتی منجر شد، تبریک می‌گوید. مس یکی از عوامل اصلی امنیت اقتصادی و ملی ایالات‌متحده است و پیش‌بینی می‌شود تقاضای مس تا سال 2035 دو برابر شود. این موضوع عمدتاً به دلیل برنامه‌هایی برای انتقال انرژی پاک، برق‌رسانی و زیرساخت‌های آب پاک خواهد بود. ملت بدون برق و نقش حیاتی مس در تولید، انتقال و توزیع آن بی‌دفاع خواهد بود.»
چرا مس مهم است؟
تلاش جهانی برای کاهش انتشار کربن موجب شده تا تقاضا برای فناوری‌های حوزه انرژی پاک و مواد مرتبط با آن شتاب بگیرد. تقاضا برای این مواد به ویژه در برخی کشورها که هدف انتشار کربن صفر را تا سال 2050 در دستور کار خود قرار داده‌اند روندی رو به رشد خواهد داشت. در حالی که برخی مواد نظیر فولاد، مس و آلومینیوم در حال حاضر اقتصاد سوخت فسیلی را جلو می‌برند، بقیه مواد جزئی‌تر با خطرات بالقوه عرضه مواجه هستند. این ریسک‌ها می‌تواند توانایی کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای را در یک پنجره زمانی مطلوب برای جلوگیری از تغییرات اقلیمی قابل توجه به خطر بیندازد. در برخی موارد، لازم است که گام‌هایی برای بهبود تاب‌آوری این زنجیره‌های ارزش مواد و کاهش ریسک‌های عرضه برداشته شود. درک اهمیت مواد منفرد برای انرژی پاک و خطرات عرضه مرتبط با آنها برای شناسایی موادی که ممکن است به عنوان موانع احتمالی برای آینده انرژی پاک عمل کنند، ضروری است.
دپارتمان انرژی آمریکا مجموعه‌ای از 13 گزارش ارزیابی «واکاوی عمیق زنجیره تامین» مربوط به زنجیره‌های تامین را که از فناوری‌های انرژی مختلف در سال 2022 پشتیبانی می‌کنند در پاسخ به فرمان اجرایی رئیس‌جمهور بایدن در مورد زنجیره‌های تامین آمریکا (E.O. 14017) منتشر کرده است. این گزارش‌ها تاکید دارند که گلوگاه‌های زنجیره تامین می‌توانند در هر مرحله‌ای از زنجیره تامین (از معدن گرفته تا پالایش اجزا و حتی تولید) رخ دهند. گلوگاه‌ها ناشی از ترکیبی از عوامل مختلف نظیر دردسترس بودن مواد، وجود تجهیزات، وجود و کیفیت نیروی کار، لجستیک، چارچوب‌های نظارتی و شرایط بازار هستند. این موانع در دوران همه‌گیری کرونا وخیم‌تر شدند. تاثیرات طولانی آن مانع از گسترش ظرفیت زنجیره تامین مواد شده و از بازیابی محصول در زمان تولید جلوگیری کرده است. یک رویکرد برای کاهش خطرات زنجیره تامین برای ایالات‌متحده، داشتن یک بخش تولید داخلی قوی با مجموعه‌ای از تولیدکنندگان متنوع است. تقویت تولید داخلی مسوولانه مستلزم استفاده از آخرین علم نه‌تنها در استخراج مواد، بلکه در توسعه جایگزین‌ها و تقویت بازیافت، استفاده مجدد و ساخت مجدد است.
گزارش اخیر تجزیه و تحلیل به‌روزشده گزارش‌های قبلی استراتژی مواد حیاتی (CMS) است که از سوی DOE در سال‌های 2010، 2011 و 2019 بر اساس اولویت‌های ملی و جهانی، پیشرفت فناوری و روند پذیرش فناوری منتشر شده است. مانند بقیه گزارش‌های CMS، این تجزیه و تحلیل نتایج یک ارزیابی رسمی مهم بودن مواد را برای شناسایی موادی که برای استقرار مداوم فناوری‌های انرژی پاک در سراسر جهان حیاتی هستند، ارائه می‌دهد. تجزیه و تحلیل در این گزارش از ارزیابی‌های زنجیره تامین DOE برای تهیه فهرست اولیه مواد برای ارزیابی استفاده کرد.
گزارش ارزیابی مواد حیاتی (CMA) وزارت انرژی ایالات‌متحده، مستقل از ارزیابی‌های بحرانی انجام‌شده توسط سایر سازمان‌های دولتی ایالات‌متحده، مانند ارزیابی‌های انجام‌شده به‌وسیله سازمان زمین‌شناسی ایالات‌متحده (USGS)، صورت گرفته است. این تجزیه و تحلیل تعیین مواد معدنی حیاتی USGS را در سه جنبه تکمیل می‌کند. اول، ارزیابی DOE از دیدگاه جهانی انجام می‌شود، در حالی که تجزیه و تحلیل USGS بر اهمیت مواد معدنی برای اقتصاد ایالات‌متحده متمرکز است. دوم، این گزارش به جای اقتصاد به‌طور کلی، بر اهمیت مواد برای فناوری‌های انرژی پاک تمرکز دارد. در نهایت، این مطالعه بر اساس سناریوهای استقرار انرژی پاک تا سال 2035 نگاه می‌کند، در حالی که ارزیابی USGS گذشته‌نگر است.
یافته‌های گزارش ارزیابی مواد حیاتی 2023
عناصر خاکی کمیاب [نئودیمیوم (Nd)، پراسئودیمیوم (Pr)، دیسپروسیوم (Dy) و تربیوم (Tb)] مورد استفاده در آهن‌رباهای موتورهای خودروهای الکتریکی و ژنراتورهای توربین بادی همچنان جزو مواد بحرانی هستند. در حالی که دیسپروسیوم و تربیوم هر دو عناصر خاکی کمیاب سنگین هستند که کارکردی مشابه در آهن‌رباها دارند، به دلیل استفاده گسترده از Dy در آهن‌رباهای درجه بالا و نقش فعلی Tb به عنوان یک جایگزین میزان بحرانیت تربیوم در کوتاه‌مدت کمتر از دیسپروسیوم است. به‌طور مشابه، Pr در میان‌مدت بحرانی است ولی در کوتاه‌مدت در محدوده نزدیک به بحران قرار دارد چرا که نسبت به Nd از قابلیت جایگزینی بیشتری در آهن‌رباها برخوردار است.
مواد مورد استفاده در باتری‌های خودروهای برقی و منابع ذخیره ساکن در حال حاضر بحرانی در نظر گرفته می‌شوند. در حالی که کبالت در گزارش‌های قبلی بحرانی محسوب می‌شد، لیتیوم به دلیل استفاده وسیعش در باتری‌های مختلف و رشد دیوانه‌وار صنعت خودروهای برقی در میان‌مدت جزو عناصر بحرانی تلقی می‌شود. گرافیت طبیعی نیز ماده جدیدی است که در این ارزیابی به فهرست بحرانی‌ها اضافه شده است.
فلزات گروه پلاتین که در الکترولیزورهای هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرند نظیر پلاتین و ایریدیوم نیز به دلیل تمرکز روی فناوری‌های هیدروژنی به منظور دستیابی به انتشار کربن خالص صفر در گروه بحرانی قرار گرفته‌اند. این در حالی است که مواد مورد استفاده در مبدل‌های کاتالیزوری نظیر رادیوم و پالادیوم به دلیل کاهش اهمیت این مبدل‌ها در میان‌مدت از فهرست خارج شده‌اند.
گالیوم به دلیل استفاده در LEDها همچنان جزو مواد بحرانی است. علاوه بر این استفاده از گالیوم در تولید آهن‌ربا و نیمه‌رساناها به شکل گالیوم آرنید و گالیوم نیترید افزایش یافته است.
عناصر اصلی نظیر آلومینیوم، مس، نیکل و سیلیکون نیز از مواد غیربحرانی در کوتاه‌مدت به مواد نزدیک به بحرانی در میان‌مدت منتقل شده‌اند و دلیل اصلی آنها اهمیت این مواد در برقی‌سازی بوده است.
فولاد برقی نیز به دلیل استفاده در ترنسفورم‌های شبکه توزیع و موتورهای برقی در خودروهای الکتریکی به فهرست نزدیک به بحرانی اضافه شده است.
عرضه و تقاضای مس
نمودار 1 تقاضای مس از سال 2020 تا 2035 را در مقابل تولید فعلی و ظرفیت تولید نشان می‌دهد. فناوری‌های درنظرگرفتهشده برای مس شامل توربین بادی، خودروهای الکتریکی، خودروهای موتورهای احتراق داخلی و شبکه توزیع برق می‌شود.
سناریوهای کربن خالص صفر (NZE) و سیاست‌های بیان‌شده (STEPS) برای پیش‌بینی بالا و پایین نیروگاه‌های بادی، خودروهای برقی و خودروهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار گرفتند. برای شبکه توزیع برق سناریوهای STEPS و توسعه پایدار (SDS) به کار گرفته شده است. با توجه به مسیرهای تقاضای توربین بادی، از آنجا که نصب سالانه پس از سال 2030 در هر دو سناریوی STEPS و NZE کاهش می‌یابد، تقاضای مس در هر چهار مسیر از سال 2030 تا 2035 کاهش می‌یابد. تقاضای مس برای خودروهای برقی و توسعه شبکه توزیع نیز از سال 2020 تا 2035 در تمامی چهار مسیر افزایش خواهد یافت. برای خودروهای احتراق داخلی روند تقاضا بسیار متفاوت از کاربردهای دیگر است. در سناریوی STEPS فروش خودروهای احتراق داخلی تا سال 2035 روندی افزایشی خواهد داشت در حالی که در سناریوی کربن خالص صفر فروش این خودروها از سال 2026 شروع به کاهش خواهد کرد. منحنی «تقاضای دیگر» نشان‌دهنده تقاضای مس برای کاربردهایی نظیر ساخت‌وساز، محصولات شیمیایی، فرآیندهای صنعتی و لوازم برقی مصرفی است.
تولید
برآوردها نشان می‌دهد تولید مس از سنگ‌های مس در سال 2021 حدود 1200 کیلوتن بوده است. این مقدار نسبت به سال 2015 افت اندکی را نشان می‌دهد. تولید مس تصفیه‌شده در سال 2021 حدود 950 کیلوتن بوده که در مقایسه با 1090 کیلوتن سال 2015 روندی کاهشی داشته است. بر اساس گزارش USGS آریزونا ایالت پیشرو در تولید مس بوده که تقریباً 71 درصد از تولید داخلی را به خود اختصاص داده است. دیگر ایالت‌های معدنی آمریکا میشیگان، میزوری، مونتانا، نوادا، نیومکزیکو و یوتا بوده‌اند. بر اساس این گزارش ذخایر داخلی آمریکا حدود 48 هزار کیلوتن برآورد می‌شود.
در سطح جهان، تولید مس معدنی، مس تصفیه‌شده و ذخایر مس به ترتیب 21 هزار، 26 هزار و 880 هزار کیلوتن تخمین زده می‌شود. شیلی به عنوان بزرگ‌ترین تولیدکننده مس جهان با تولید 5600 کیلوتن بیش از 27 درصد از کل عرضه جهانی را در سال 2021 در اختیار داشت. چین در تولید مس پالایش‌شده سردمدار بود به‌طوری که با تولید 100 هزار کیلوتنی سهمی 38درصدی در عرضه این عنصر داشت. بزرگ‌ترین ذخایر مس هم در استرالیا و شیلی بوده که به ترتیب 11 و 23 درصد از ذخایر جهان را به خود اختصاص دادند.
تولید ثانویه مس از ضایعات مصرف‌کننده /قدیمی و ضایعات جدید حاصل از فرآیند تولید، از جمله تولید فلز و آلیاژ حاصل می‌شود. برخلاف بقیه مواد، مس 100 درصد قابل بازیافت است و می‌تواند بدون افت عملکرد بازیافت شود. در سال 2021، ضایعات مس ایالات‌متحده 160 کیلوتن بوده که تقریباً حدود هشت درصد از مصرف آشکار مس بوده است. در سطح جهانی، حدود 64 درصد قراضه جدید (ذوب مستقیم) بود و مابقی در سال 2021 از طریق پالایش ثانویه حاصل شد. قراضه مس حدود 28 تا 37 درصد مس مورد استفاده در تولید مس جدید بین سال‌های 2005 تا 2021 را تشکیل می‌دهد. در سال 2021، این میزان حدود 34 درصد تخمین زده شد. از آنجا که اشکال مختلف مس در فناوری‌های درنظرگرفتهشده برای مسیرهای انرژی استفاده می‌شود، داده‌های تولید تصفیه‌شده برای مقایسه در برابر پیش‌بینی‌های تقاضا انتخاب شدند. تولید تصفیه‌شده شامل تولید اولیه و ثانویه است. ظرفیت پالایش‌شده در سال 2022 حدود 31 هزار تن برآورد شد (گروه مطالعات بین‌المللی مس، 2022).
