חומרי הגלם במעבר לאנרגיה דלת פחמן

גיאולוג מכרות במרבץ מתכות נדירות שהתגלה בדרום אפריקה. תמונה: רודג'ר בוש / גטי אימג'ז
תקציר המנהלים של דוח הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה מתחדשת 2022 IRENA

חומרי הגלם החיוניים במעבר לאנרגיה נקייה – מתכות נדירות

תקציר מנהלים של דוח הסוכנות הבינלאומית לאנרגיות מתחדשות IRENA / 2022

היסודות הנדירים (או המתכות הנדירות) הם קבוצה של 17 יסודות כימיים, שחלקם הכרחיים במעבר לאנרגיה נקייה. ניאודימיום, פרסאודימיום, דיספרוסיום וטרביום הם חומרים חיוניים בייצור המגנטים הקבועים המשמשים בכלי רכב חשמליים ובטורבינות רוח. ניאודימיום הוא החשוב ביותר מבחינת כמות. איטריום וסקנדיום משמשים בסוגים מסוימים של מתקני אלקטרוליזה של מימן, ואירופיום, טרביום ואיטריום משמשים בתאורת פלורסנט חסכונית באנרגיה. גם מקורות אנרגיה מסורתיים מסתמכים על מתכות נדירות, למשל לייצור קטליזטורים במערכות הפליטה של כלי רכב. אבל תמהיל היסודות הנדירים הרלוונטיים לייצור אנרגיה הדרושים מכאן והלאה שונה מזה של העבר.

תחזיות הביקוש וצמיחת השוק

בשנת 2020 הסתכמה הפקת היסודות הנדירים ב-240 אלף טון. הצורך במגנטים קבועים (חפצים המייצרים שדה מגנטי בלי צורך במתח חשמלי) צפוי לגדול באופן משמעותי במיוחד בשנים הקרובות. כ- 29-35% מכלל היסודות הנדירים שימשו למגנטים קבועים, פחות מ- 15% מנתון זה שימש לייצור כלי רכב חשמליים. כשישה-שבעה קילוטון ניאודימיום שימשו לייצור כלי רכב חשמליים בשנת 2020, 15-20% מכלל השימוש במגנטים קבועים בשנת 2020. כעשרה אחוזים מהמגנטים הקבועים (4 קילוטון ניאודימיום) שימשו לטורבינות רוח, בעיקר טורבינות ימיות וטורבינות יבשה בסין. כלי רכב חשמליים וטורבינות רוח יחד היוו כשליש מהשימוש במגנטים קבועים בשנת 2020. וייצור טורבינות רוח צפוי להכפיל את עצמו בעשור הקרוב וייצור כלי רכב חשמליים צפוי לגדול באותו סדר גודל.

כמויות קטנות של דיספרוסיום וקטנות עוד יותר של טרביום, מוספות למגנטים קבועים על מנת לשפר יציבות תרמית. למרות שהכמות של דיספרוסיום קטנה בהשוואה לזו של ניאודימיום, דיספרוסיום הרבה יותר נדיר מניאודימיום. אספקת דיספרוסיום היא אפוא גורם קריטי במונחים של אספקת יסודות נדירים.

כדי לענות על הביקוש בצמיחה של כלי הרכב החשמליים, ההיצע של חומרים לייצור מגנטים קבועים חייב לגדול משמעותית. בתרחיש שאפתני של מעבר לאנרגיה דלת פחמן, הביקוש הכולל למגנטים קבועים וליסודות הנדירים בתעשיית כלי הרכב החשמליים וטורבינות הרוח עשוי להכפיל את עצמו מכאן ועד לשנת 2030. יש שמדברים אפילו על גידול של פי ארבעה. תחזיות הביקוש מתפרשות על ספקטרום רחב משום שבסקטורים מרכזיים המהווים את מוקדי הביקוש יש חוסר ודאות בשאלת הצמיחה.

תחזית ההיצע

המקורות הטבעיים למתכות נדירות קיימים בשפע. נכון, יש מספיק מרבצים מוכרים כדי לספק את צרכי המעבר לאנרגיה דלת פחמן, אבל האתגר העיקרי הוא הרחבת פעילויות הכרייה והעיבוד על פני כל שרשרת הערך בהתאם לצמיחת הביקוש.

בדרך כלל, המרבצים מכילים מספר מתכות נדירות. ניאודימיום מהווה בממוצע כ- 20% מהם. אבל נדרש אומדן להיצע של כל סוג בנפרד. נתונים, רבים ככול שיהיו, של כלל היסודות ייתנו אפשרות מוגבלת מבחינת ניתוח הדאטה שלהם ולא ישקפו את הכמויות מהימנה. מרבצים רבים מכילים גם יסודות רדיואקטיביים כגון אורניום או תוריום, מה שמקשה על ניהול הפסולת מן המכרות. המתכות הנדירות נכרות יחד מאותם מרבצים ולעומת זאת, השווקים של כל אחת מהן נפרדים מאוד. התוצאה של זה היא שמיסודות אחדים יש עודף ומאחרים מחסור של ממש. הפער הזה יגדל בשנים הקרובות. מכיוון שהרכב המרבצים משתנה, חלקם בעלי ערך גדול מאחרים. חשוב מאוד להבין את המצב לגבי יסודות נדירים בודדים, ולא להתייחס אליהם כקבוצה.

ההיצע של המגנטים הקבועים חייב לגדול. פועלת במפעל לייצור מנועים בהספק גבוה מאוד. תמונה: CFOTO / גטי אימג'ז

מרבצי המתכות הנדירות מפוזרים ברחבי כל העולם. מבחינת כדאיות כלכלית, צריך להרחיב את הכרייה לעוד ועוד מקומות, אבל את כושר העיבוד יהיה קשה יותר להגדיל במהירות והוא גם תלוי במגוון גורמים, כולל ידע, המרוכז במדינות מסוימות. צריך לשלב את הרחבת הכרייה עם אלמנטים של כלכלה מעגלית כגון מיחזור ושימוש חוזר, יחד עם חידושים טכנולוגיים שמטרתם לצמצם את צמיחת הביקוש.

מלבד מחצבים, שפכים של תעשיות מסוימות כמו בוצה אדומה (מייצור אלומיניום), אפר פחם משריפת פחם, וגבס (מייצור חשמל על ידי פחם) מכילים כמויות משמעותיות של מתכות שאפשר להשתמש בהן. כמו כן, לאחרונה התגלו מרבצים חדשים בים, אבל הם עדיין לא כדאיים כלכלית ולכן לא יהוו מענה לביקוש.

העיבוד של יסודות נדירים, כולל הפרדה, ייצור מתכות, יציקה וייצור מגנטים, מאתגר מבחינה טכנולוגית, מה שמגביל כניסת ספקים חדשים לתחום.

הפחתת הסיכונים בשרשרת האספקה

רוב פעילות הכרייה (58 אחוזים בשנת 2020) והמיצוי (תשעים אחוזים) של יסודות נדירים, כמו גם רוב הייצור של מגנטים קבועים (תשעים אחוז), מרוכזים בסין, מה שמעלה חשש לגבי רציפות האספקה. מחוץ לסין, מדינות צמצמו מאוד את הכרייה בשל חששות סביבתיים ועלויות מאמירות ולפעמים אפילו סגרו מכרות שלמים. בשנים האחרונות ניסתה גם ממשלת סין להגביל את הצמיחה בכרייה בשל ההשפעה על הסביבה. סין למעשה שולטת ברזי הכרייה, ההפרדה והמיצוי של המתכות, בעיקר בזכות המרבצים הגדולים בה, שהטיפול בהם פיתח בה מסגרות עבודה ומדיניות סדורה. הענף הזה משגשג בסין לעומת מדינות אחרות שפשוט לא השקיעו בשרשרת האספקה הזאת בשלושים השנים האחרונות. ההתפתחות של תעשיית כלי הרכב החשמליים הדגישה את ההכרח בגיוון ההיצע והולידה יוזמות רבות שמתמקדות גם בצמצום הסיכונים בשרשרת האספקה. בשנים האחרונות גוברת ההכרה שהתמקדות בכרייה לבדה אינה מספיקה ויש להביא בחשבון את כל שרשרת האספקה כולה.

השליטה הסינית בשוק הזה הולידה שרשרת אספקה לאומית תחרותית ביותר. יוצא דופן הוא פלח השוק של מגנטים קבועים מסונטרים בעלי עוצמה גבוהה המשמשים כיום במכוניות. בעוד שחברה יפנית מחזיקה כעת את הפטנטים החשובים ביותר בטכנולוגיה המקורית, סין וארה"ב העלו הילוך בכל מה שקשור ברישום פטנטים על מגנטים מסונטרים ומגנטים משולבים (חומר מגנטי עם מטריצה פלסטית, שמעניקה לו גמישות אבל מורידה מחוזקו) ויותר מ-500 פטנטים חדשים הוגשו בעשור האחרון, אינדיקציה משמעותית לחשיבות של שוק עתידי.

במקביל, מדינות עם תוכניות להרחבת הייצור של כלי רכב חשמליים, מבקשות להפחית את התלות בייצוא סיני, דבר שיהיה קשה ליישם בעתיד הקרוב. כיום קיימים בעולם רק 11 מכרות גדולים ושבעה מפעלי עיבוד גדולים. שישה מתוך השבעה נמצאים בסין ואחד במלזיה, וכן מפעל קטן יותר באסטוניה. מכרות ומתקנים חדשים מפותחים כעת באוסטרליה, קנדה, נורבגיה, דרום אפריקה, ארצות הברית ומספר מדינות באפריקה. אלא שפרויקטים אלה שנויים במחלוקת מבחינה סביבתית והזמן הניכר הנדרש לפיתוחם. לדוגמה, הפרלמנט של גרינלנד אסר לאחרונה על הפיתוח של אחד ממרבצי היסודות הנדירים הגדולים בעולם.

נדרשות השקעות אסטרטגיות בשביל לבנות כושר יצור מחוץ לסין, לקדם התחייבויות של יצרני ציוד ומשתמשי קצה.  גם לממשלות יש תפקיד בצמצום הסיכון של ההשקעות הדרושות. האסטרטגיה הדרושה היא רב שלבית – סין תישאר הספקית העיקרית של מוצרים מבוססי יסודות נדירים בעתיד הקרוב. במקביל, התלות שלה ביבוא חומרי גלם של יסודות נדירים גוברת יותר ויותר. יש לעודד דיאלוג בינלאומי בין ספקים ויצרנים. דיאלוג נוסף נדרש גם בין מפתחי טכנולוגיות, ספקים וקובעי מדיניות. נחוצות השקעות אסטרטגיות כאשר הצדדים משתפים פעולה באופן הדוק יותר לאורך שרשרת האספקה.

חידושים להפחתת התלות ביסודות נדירים

יצרניות הרכב זיהו את התלות של התעשייה ביסודות נדירים ופיתחו מנועים חלופיים שלא נדרשים בהם מגנטים קבועים. עם זאת, מנועים אלה מתאפיינים בביצועים נמוכים יותר, במיוחד בטווח נסיעה מצומצם יותר, שהינו גורם קריטי. חוקרים ממשיכים לחפש פתרון לחומרים חדשים לייצור מגנט קבוע המציע ביצועים טובים עבור יישומים מסוימים שבהם המשקל פחות קריטי.

המחקר גם ממשיך לתור אחר חומרים חדשים לייצור מגנטים קבועים המפחיתים את התלות ביסודות נדירים. אותו המחקר כולל גם חלופות למכשירים אלקטרוניים מסוימים שבהם המשקל פחות קריטי. חלופות עיצוב קיימות גם בטורבינת רוח.

מאמצי מחקר ופיתוח נוספים מתרכזים סביב דרכים להגביל את השימוש בדיספרוסיום במגנטים קבועים, או להיפטר ממנו לחלוטין. בגדול, השאיפה היא לצמצם את התלות במגנטים קבועים מסונטרים, ובכך להפחית את הצורך במתכות נדירות.

מדיניות והשלכותיה

בשנים הקרובות יהיה הכרחי לגוון את היצע המתכות הנדירות שמהן מייצרים מגנטים קבועים. מכיוון שכמות החומר הדרוש קטנה יחסית, ניתן להגביל בקלות את טביעת הרגל הסביבתית של מיזמים כאלה: אפילו מספר קטן של מכרות ומפעלים חדשים יכולים להגדיל את ההיצע העולמי באופן משמעותי. על מנת לפתח אסטרטגיה יעילה בתחום היסודות הנדירים, יש להכיר את השלבים השונים בשרשרת האספקה יחד עם המאפיינים שלהם. בעוד ששלב הכרייה מתועד היטב, העיבוד והייצור של מגנטים קבועים לוקה בחסר מבחינת ידע. מומלץ לשפר את זמינות המידע לציבור כדי לחזק את השקיפות בשוק העולמי. כמו כן, נדרשת הבנה מעמיקה יותר של צווארי הבקבוק בפיתוח יכולת אספקה חדשה. בנוסף, אין לבלבל בין המטרות של הרחבת האספקה והפחתת הסיכון בשרשראות האספקה מכיוון שאלה דורשים גישות שונות.

אירופה הקימה את ברית חומרי הגלם האירופית (ERMA), שהתמקדה בתחילה ביסודות נדירים. יש רשימה של 30 חומרי גלם קריטיים. בארצות הברית, הממשל הוציא הנחיות בדבר גישה כלל מערכתית להערכת החולשות ולחיזוק החוסן של שרשראות אספקה קריטיות כולל של מינרלים, כאשר הנחיות אלה מתמקדות קודם כול ביסודות נדירים. צרכנים גדולים נוספים כגון סין ויפן קבעו גם הן מדיניות בעניין.

בינתיים המדינות שבהן נמצאים המרבצים זוכות להזדמנות כלכלית. על מנת לשכנע ספקים להשקיע בכרייה לטווח ארוך, נדרש שיתוף פעולה בינלאומי יחד עם מחירים הוגנים וכן ודאות בביקוש. גם החששות סביב פגיעה בטבע ובחברה דורשים התייחסות מעמיקה ובנוסף, לא כדאי להתמקד בכרייה בלבד, גם הענף של הייצור צריך לקבל עדיפות גבוהה יותר.

מאמרים נוספים

הפחם של גרמניה מחפש את הירוק

חגורת המכרות ההיסטורית של מזרח גרמניה עשויה לזכות לעדנה מחודשת הודות לתוכניות להקים את פארק הסוללות הגדול ביותר במדינה בבוקסברג, תחנת כוח פחמית מהתקופה הקומוניסטית על גבול פולין. הפרויקט, שנחשף על ידי חברת הכרייה והחשמל…

מעבר לאנרגיה דלת פחמן בפריזמה של ביטחון אנרגטי

שנת 2022 התחילה בתנופה חזקה למגזר של מעבר לאנרגיות דלות פחמן, החל בהצהרות של מדינאים והתחייבויות שהתקבלו בוועידת האו"ם לאקלים בגלזגו, גם כשהעולם עוד התמודד עם מכשולים שהציבה המגיפה על שרשרת האספקה העולמית.בפברואר הוסיפה הרחבת…

משבר האנרגיה ואיך הגענו אליו

משבר האנרגיה – איך הגענו אליו ואיך נצא ממנו? אן-סופי קורבו, המומחית לגז טבעי סוקרת את האופן שבו נוצר משבר האנרגיה הנוכחי, כמה זמן ייקח לו לעבור והצורך בהשקעות גדולות יותר באספקת הגז הטבעי מגזין…