Добыча и переработка лития: новые технологии могут стать прорывными для электромобильной промышленности
Перевод обзора «Lithium Mining: How New Production Technologies Could Fuel the Global EV Revolution» международной консалтингов…Литий — основной элемент аккумуляторов электромобилей и «движущая сила» этой отрасли. Но как добиться того, чтобы поставки этого металла шли в ногу со спросом? Пробел могут восполнить новые технологии и источники поставок.
Вопреки ожиданиям, учитывая, что спрос на литий вырастет примерно с 500 тыс. тонн (в эквиваленте карбоната лития) в 2021 году до примерно 3-4 млн тонн в 2030 году, в McKinsey считают, что литиевая промышленность сможет обеспечить достаточное количество продукции для растущей индустрии литий-ионных аккумуляторов. Наряду с увеличением традиционных поставок лития, которые, как ожидается, вырастут более чем на 300% в период с 2021 по 2030 год, положительно повлиять на способность отрасли быстрее реагировать на растущий спрос могут технологии прямого извлечения лития (DLE) и прямой поставки лития в продукт (DLP). Хотя DLE и DLP все еще находятся в зачаточном состоянии и подвержены волатильности, резкий рост спроса и оптимизация сроков выполнения заказов обеспечивают значительные перспективы в этой сфере, в том числе с учетом снижения вредного воздействия отрасли на окружающую среду и прочие аспекты ESG, а также в свете снижения затрат. При этом уже объявлено об увеличении на 10% к 2030 году поставок лития из известных месторождений, а также о ряде прочих проектов, находящихся на стадии разработки.
Однако удовлетворение спроса на литий — вовсе не тривиальная задача. Несмотря на крайне негативные последствия пандемии COVID-19 на автомобильный сектор, продажи электромобилей выросли примерно на 50% в 2020 году и удвоились примерно до 7 млн единиц в 2021 году. В то же время растущий спрос на электромобили привел к тому, что цены на литий взлетели примерно на 550% за год: к началу марта 2022 года цена карбоната лития превысила $75 тыс. за тонну, а цены на гидроксид лития превысили $65 тыс. за тонну (по сравнению со средним пятилетним показателем около $14500 за тонну).
Литий необходим для производства практически всех тяговых аккумуляторов, используемых в настоящее время в электромобилях, а также в бытовой электронике. Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы широко используются и во многих других областях применения — от накопителей энергии до вентиляторов. Аккумуляторы различаются по составу активных материалов; с появлением на рынке новых аккумуляторных технологий появилась некоторая неопределенность относительно того, как рынок повлияет на будущий спрос на литий. Например, литий-металлический анод, повышающий плотность заряда аккумулятора, требует почти вдвое больше лития на киловатт-час по сравнению с широко используемыми в настоящее время смесями, включающими графитовый анод.
Так хватит ли лития, чтобы покрыть потребности нового направления – электромобильной отрасли? Взвешенный ответ можно дать, только понимая весь контекст спроса/предложения. Но он будет иметь решающее значение для всех игроков в цепочке создания стоимости: горнодобывающих компаний, переработчиков, производителей аккумуляторов и производителей автомобилей.
Факторы спроса на литий
В течение следующего десятилетия McKinsey прогнозирует дальнейший рост производства литий-ионных аккумуляторов; в годовом исчислении — примерно на 30%. К 2030 году на электромобили, наряду с системами накопления энергии, электронными велосипедами, электрическими инструментами и другими приложениями, требующими энергопитания, может приходиться от 4 тыс. до 4500 гигаватт-часов емкости литий-ионных аккумуляторов (рис.1).
Не так давно, в 2015 году, менее 30% спроса на литий приходилось на аккумуляторы; в основном металл был востребован для изготовления керамики и стекла (35%) и смазочных материалов, металлургических порошков, полимеров и других промышленных продуктов (чуть более 35%). Ожидается, что к 2030 году на долю батарей будет приходиться 95% спроса на литий, а общие потребности будут ежегодно расти на 25-26% и достигнут 3,3-3,8 млн тонн (в эквиваленте карбоната лития) в зависимости от сценариев, как показано на рис. 2.
Будущие поставки лития
При таком растущем спросе нужно ли беспокоиться о будущих поставках лития? В 2020 году было произведено чуть более 0,41 млн тонн карбоната лития; в 2021 году этот объем уже был более 0,54 млн тонн (рост на 32% в годовом исчислении). Базовый анализ показывает, что объем спроса на литий составляет 3,3 млн тонн; он вырос на 25% за год. Пока еще сложно оценить, какими будут новые месторождения и методы производства лития, поэтому объем поставок в McKinsey прогнозируют на уровне 2,7 млн тонн к 2030 году; остальная часть спроса будет удовлетворена за счет недавно появившихся новых технологий и новых месторождений.
В настоящее время почти вся добыча лития происходит в Австралии, Латинской Америке и Китае (на долю которых в 2020 году пришлось 98%). Если судить по заявлениям, к ним могут присоединиться другие игроки, включая Западную и Восточную Европу, Россию и другие страны бывшего Советского Союза. Этой заявленной базы мощностей должно быть достаточно для того, чтобы поставки росли на 20% в год и к 2030 году достигли более 2,7 млн тонн – в эквиваленте карбоната лития (рис. 3).
Хотя прогнозы спроса и предложения указывают на сбалансированность отрасли в краткосрочной перспективе, существует потенциальная необходимость в активизации новых мощностей к 2030 году. Дополнительными источниками лития, необходимыми для преодоления разрыва в цепочках поставок, выступят как находящиеся сейчас на ранней стадии проекты традиционной добычи лития — из руд и рассолов, — а также из нетрадиционных рассолов — геотермальных или нефтепромысловых. Между тем, ожидается, что новые технологии, такие как DLE и DLP, расширят возможности в части переработки и увеличат объем поставок в целом. Кроме того, использование прямой отгрузки руды (DSO) может помочь снизить краткосрочный риск дефицита предложения, как это было в 2018 году (рис. 4).
Активы на ранней стадии
От хорошо зарекомендовавших себя стран-производителей лития, таких как Австралия, Чили, Китай и Аргентина, до стран, о существовании в которых ресурсов этого металла стало известно недавно, таких как Мексика, Канада, Боливия, США и Украина, и мест, обычно не связываемых с литием (Сибирь, Таиланд, Великобритания и Перу) — разведка месторождений «белого золота нашего времени» идет по всему миру. В McKinsey считают, что в 2022 году могут случиться подвижки в этой сфере, поскольку Li начнет поставляться с объектов, которые сегодня находятся на ранней стадии. Речь идет как о добыче из обычных рассолов с концентрациями от 200 до 2000 частей на миллион (ppm), а также из твердых пород с долей лития от 0,4 до 1,0% (рис. 5).
Нетрадиционные рассолы (геотермальные, нефтепромысловые рассолы)
Дополнительный объем могут обеспечить нетрадиционные месторождения: геотермальные и нефтепромысловые рассолы с содержанием лития от 100 до 200 ppm. Первый вариант ориентирован на обеспечение как чистой геотермальной энергией, так и литием. Хотя говорить о коммерческом масштабе еще рано — соответствующих примеров пока нет — в Европе и в Северной Америке уже действуют финансово состоятельные проекты с месторождениями ранних стадий освоения в активе. Аналитики McKinsey ожидают, что, по мере развития технологий и появления доказанных концепций, на глобальной карте будет все больше геотермальных литий-рассольных месторождений. Некоторые компании автопрома уже поддерживают подобные инициативы. Например, Renault Group, Stellantis и General Motors подписали стратегические партнерские соглашения о доставке лития с геотермальных объектов в Европе и Северной Америке.
Кроме того, проекты в Северной Америке сосредоточены на извлечении лития из сточных вод нефтяных месторождений. Хотя обычно это низкосортные источники, они все же могут стать дополнительной ресурсной базой, если появится соответствующая технология выделения лития.
Прямое извлечение лития
Для того чтобы геотермальные или нефтепромысловые рассолы стали постоянными источниками поставок лития, потребуется проверенный процесс DLE. Существует целый ряд компаний, тестирующих различные подходы в этой сфере. Хотя их идеи различаются, концепция по сути одна и та же: пропускание рассола через материал, связывающий литий, с использованием процессов адсорбции, ионного обмена, мембранного разделения или экстракции из раствора с последующей очисткой раствора для получения карбоната лития или гидроксида лития.
Перспективная технология DLE в настоящее время рассматривается не только нетрадиционными игроками, но и компаниями, традиционно разрабатывающими «типичные» рассольные активы. DLE имеет несколько потенциальных преимуществ, в том числе:
· уменьшение занимаемой площади испарительных прудов;
· сокращение времени производства по сравнению с обычной операцией с рассолом;
· увеличение объемов извлечения примерно с 40% до более чем 80 %;
· использование пресной воды в меньших объемах, что может быть одним из решающих факторов при подаче заявки на добычу полезных ископаемых в регионе с ограниченными водными ресурсами;
· уменьшение применения реагентов и повышенная чистота продукта (по содержанию магния, кальция и бора) по сравнению с обычными операциями с рассолом.
На сегодняшний день только адсорбционный DLE применяется в промышленных масштабах в Аргентине и Китае. Дальнейшее масштабирование подходов DLE и распределение их по месторождениям рассолов позволит расширить существующие мощности за счет повышения извлечения и снижения эксплуатационных расходов, а также улучшит экологичность операций (таблица 1).
Таблица 1. Основные технологии прямого извлечения лития.
Прямая поставка лития в продукт
В случае DLP, по-видимому, следует рассматривать только выделение металлического лития из полимеров, когда Li выводится при помощи электролиза и внедряется непосредственно в литиевый продукт. В случае успеха этот процесс производства лития может оказать значительное влияние на удовлетворение спроса.
Прямая доставка руды
Еще одним вариантом устранения риска краткосрочного дефицита предложения в случае задержки развертывания новых мощностей является прямая поставка руды. Низкосортный концентрат может быть выведен на рынок в очень короткие сроки (менее года для запуска проекта), а на доход от продаж вполне можно построить завод по переработке сподумена (литий-содержащий минерал — прим. пер.). Переработка DSO является более дорогостоящей и сложной задачей, но в 2018 году появился пример того, как это можно сделать. В условиях высоких цен и недостаточного предложения на рынке китайские перерабатывающие заводы импортировали концентраты сподумена из Австралии с содержанием оксида лития ниже 1,5% (0,7% чистого лития), чтобы удовлетворить потребности рынка.
Повторное использование и переработка
Часто встает вопрос, можно ли утилизировать литий-ионные аккумуляторы. Если принять во внимание возможности вторичного использования в энергетике и продления срока службы аккумуляторов электромобилей, можно ожидать, что направление утилизации получит развитие в течение текущего десятилетия, но не до уровня, который мог бы изменить правила игры. В зависимости от применяемого процесса переработки можно восстановить до 80% лития, содержащегося в батареях с истекшим сроком службы. К 2030 году такие поставки вторичного металла составят чуть более 6% от общего объема (рис. 6).
Риск замещения лития
Другой вопрос: можно ли заменить литий. Рассматриваются ванадий, цинк, натрий. Однако в настоящее время точно нет замены литию для удовлетворения потребностей сектора электромобилей. Единственной потенциальной альтернативой является ион натрия, который, даже будучи полностью готовым к использованию, все равно обеспечивает меньший КПД. Учитывая вышеизложенное, существует небольшой риск снижения спроса на литий к 2030 году.
Что будет дальше?
Так хватит ли в мире лития для предстоящего масштабного перехода на электромобили? В McKinsey отвечают на этот вопрос положительно. Литиевая промышленность сможет обеспечить достаточное количество продукции для растущей индустрии электротранспорта. При этом эксперты советуют уделить внимание следующим аспектам.
Финансирование новых технологий. Например, DLE может увеличить производство лития из обычных рассолов за счет повышения уровня извлечения. Метод также позволит получать литий из источников, в которых он в настоящее время “заблокирован”, таких как геотермальные или нефтепромысловые рассолы.
Разведка новых месторождений. В 2021 году почти 90% добычи лития приходилось всего на три страны (Австралию, Чили, Китай). Поиск других источников лития в других регионах может способствовать созданию новой ресурсной базы для добычи полезных ископаемых.
Ранняя осведомленность о спросе производителей. В зависимости от того, как будут развиваться аккумуляторные технологии, промышленности может потребоваться больше карбоната лития или гидроксида лития. Соответственно, конечные пользователи, такие как производители оборудования и те, кто задействован в автоматизации производства, могут помочь в определении спроса, заранее представив технические характеристики своих продуктов и информацию о необходимых объемах лития. Если о таких потребностях будет известно заблаговременно, у компаний, добывающих литий, будет время на адаптацию.