Introducció
La transició energètica presenta grans reptes per la Unió Europea. El principal d’ells és el del subministrament de les matèries primeres crítiques. Les anomenades CRM (acrònim de Critical Raw Materials) [1].
Del segle XIX al segle XXI. Les quatre grans revolucions industrials
La primera revolució industrial és la de la mecanització de la producció. S’inicia a finals del segle XVIII i s’acaba a mitjans del segle XIX. Basada en l’invent de la màquina de vapor, amb la mecanització de la ma d’obra artesana. Les fonts energètiques bàsiques van ser l’energia hidràulica i principalment el carbó.
La segona revolució industrial ve donada per la generalització de l’ús de l’energia elèctrica. S’inicia a finals del segle XIX i ocupa una bona part del segle XX (fins la segona guerra mundial). Apareix la producció en massa en cadenes de muntatge amb una gran especialització en els llocs de treball. La font energètica bàsica és el petroli.
La tercera revolució industrial és la informàtica. S’inicia a mitjans del segle XX fins als inicis del segle XXI. S’automatitzen tots els processos industrials, amb les TIC [2]. Les fonts d’energia bàsiques són el gas natural, les energies renovables i l’energia nuclear.
La quarta i actual revolució és la de la digitalització. Es caracteritza per l’Internet en les coses, el núvol, els sistemes digitals de coordinació, els sistemes ciberfísics, la robòtica i el metavers. Les fonts d’energia bàsiques són les energies renovables i l’energia nuclear. El problema principal és l’acumulació de l’energia en bateries mòbils.
Objectius de la quarta revolució industrial
Els principals objectius són:
- Desenvolupar al màxim les energies renovables no lligades al carboni fòssil: eòlica, solar,...
- Solucionar el problema de l’emmagatzematge d’energia en bateries mòbils de baix cost. Tant pels vehicles elèctrics com per la gestió viable de la generació elèctrica sostenible.
- Desenvolupar una mobilitat sostenible: el cotxe elèctric, el cotxe d’hidrogen,...
- Dur les TIC a la població en general: smart cities, xarxes intel·ligents, metavers,...
El problema principal, el taló d’Aquil·les, és la necessitat de matèries primeres crítiques per a poder realitzar aquests objectius. Matèries primeres de les que Europa és absolutament deficitària. Tant com a productors com a gestors de la cadena de transformació o comercialització de les mateixes.
El principal perill és passar a dependre de gestors externs que controlin tota la producció obrint o tancant l’aixeta d’aquestes matèries primeres crítiques.
Les tecnologies del segle XXI
Les tecnologies del segle XXI seran principalment:
- L’acumulació d’energia en bateries mòbils transportables.
- Les cèl·lules de combustible (les fuel cells), bàsicament relacionades amb l’hidrogen.
- El desenvolupament de les energies renovables: principalment eòlica i solar.
- El desenvolupament de la mobilitat sostenible: bàsicament els vehicles elèctrics.
- La robòtica: en tots els processos industrials, en la medicina i en les llars.
- Els drons: en la gestió de boscos, conreus, seguretat,...
- Les impressores 3D: producció ràpida i econòmica de components.
- Les TIC: mòbils, ordinadors, internet a les coses, metavers,...
I totes aquestes tecnologies necessiten de les matèries primeres crítiques que la UE ha d’adquirir d’altres països de fora de la unió.
Els materials d’un smartphone
Segons dades de la Universitat de Birmingham, la majoria dels smartphones poden contenir aproximadament el 80% dels elements estables de la taula periòdica.
Per exemple, per la fabricació d’un smartphone es necessita:
- A la pantalla: vidre: Al (alumini), Si (silici), K (potassi), Na (sodi), Ca (Calci); In (indi); Sn (estany); i terres rares.
- Està formada per múltiples capes de vidre i plàstic, recobertes de indi. L’indi és un material transparent i molt bon conductor de l’electricitat. Respon al entrar en contacte amb altre conductor elèctric, com els nostres dits. Aleshores es completa un circuit elèctric on el dit toca la pantalla, canviant-hi la càrrega elèctrica en aquest punt. El dispositiu registra la càrrega com un "esdeveniment tàctil" i es sol·licita una resposta.
- Les imatges es mostren en cristall líquid (LCD). La pantalla LCD utilitza un corrent elèctric per tal d’ajustar el color de cada píxel. S’utilitzen diversos elements de terres rares per a reproduir els colors a la pantalla.
- A la bateria: Li (liti), Co (cobalt), Sb (antimoni), Be (beril·li), Al (alumini), C (carboni).
- La bateria conté ions de liti que es mouen entre els dos elèctrodes de la bateria (càtode i ànode). El liti és l’element més lleuger de la taula periòdica capaç de fer-ho.
- A la carcassa: Mg (magnesi), Ni (níquel), C (carboni).
- Poden contenir molts tipus de materials: plàstic, alumini, fibra de carboni o fins i tot materials preciosos com l’or. En general contenen níquel, per a reduir la interferència electromagnètica (EMI) i aliatges de magnesi pel blindatge.
- Al micròfon, altaveus i unitat de vibració: Ni (níquel), Nd (neodimi), Pr (praseodimi), Gd (gadolini), Tb (terbi), Dy (disprosi), W (wolframi).
- El níquel s’utilitza en el diafragma del micròfon (que vibra en resposta a les ones sonores). Els aliatges de neodimi, praseodimi i gadolini de terres rares s’utilitzen en els imants de l’altaveu i el micròfon. També s’utilitza neodimi, terbi, disprosi i wolframi en la unitat de vibració.
- A l’electrònica: Cu (coure): teclat i plaques impreses; Ta (tàntal): acumulació d’electricitat; Ag (plata), Au (or), Pt (platí), Pd (pal·ladi): components electrònics; Sn (estany), Pb (plom): soldadures; Si (silici): xips; P (fòsfor), Ga (gal·li), Sb (antimoni), B (bor): conductors i semiconductors elèctrics dels xips; As (arsènic), Ga (gal·li): amplificadors, receptors.
- A més disposen de múltiples sistemes d’antenes, com Bluetooth, GPS i WiFi. La distància entre aquests sistemes és petita, pel que és extremadament difícil assolir-hi un rendiment perfecte. Els condensadors es fabriquen amb tàntal per un bon filtrat i sintonització de cada freqüència.
Les CRM definides per la UE
La UE ha definit les CRM (Critical Raw Materials) com les matèries primeres de gran importància per a la seva economia i que s’associen a un alt risc de subministrament. Al document "Internal Market, Industry, Entrepreneurship and SMEs", de l'any 2023, trobareu molta informació sobre el tema.
Per la transició ecològica, les CRMs són de vital importància i la UE ha d'importar-les, donat que li són escasses, de molts paisos diferents i, especialment, de la Xina. Tal com es pot observar en el gràfic següent que mostra els principals països subministradors de CRMs de la UE (Font: Study on the critical raw materials for the eu 2023-ET0723116ENN):
Gràfic que podem comparar amb el següent, que ens mostra la capacitat productiva de CRMs de la UE:"
A la taula següent (Font: Study on the critical raw materials for the eu 2023-ET0723116ENN, Annex: 1) es mostra un resum de les CRMs segons diferents criteris:
- Main EU sourcing countries: Based on Domestic production and Import (Export excluded)
- Import reliance: IR = (Import – Export) / (Domestic production + Import – Export). The EU import reliance cannot be calculated for beryllium, as there is no production and trade for beryllium ores and concentrates in the EU
- EoL-RIR: The End of Life Recycling Input Rate (EoL-RIR) is the percentage of overall demand that can be satisfied through secondary raw materials
La UE és bem conscient d'aquest risc crític, determinat en base a dos paràmetres principals:
- La seva importància econòmica (EI, Economic Importance).
- Les CRM són matèries vitals pel desenvolupament del segle XXI. En particular, la transició energètica cap a la neutralitat climàtica el 2050 (eòliques, fotovoltaiques, motors elèctrics,...) i la digitalització (bateries, ordinadors, mòbils,...).
- El seu risc de subministrament (SR, Supply Risc).
- L’oferta dels països productors, tenint en compte el seu sistema de govern i els aspectes comercials. I considerant dos grans grups de països productors: els proveïdors globals de CRM i els països dels quals la UE n’obté les CRM (el país que gestiona la seva comercialització).
No hi ha de moment, ni es contempla en un futur mitjà, cap altra substitut d’aquests materials. A la UE se li planteja doncs una doble problemàtica: L’escassetat de les CRM necessaris i la seva geo-estratègia i diplomàcia, donat que gairebé tots els recursos necessaris són a països fora de la UE.
Es constaten doncs seriosos problemes de dependència a mig i llarg termini d’aquests països que poden derivar en greus conseqüències en el futur [3].
Els gràfics següents ens mostren els principals països del món productors de CRMs (Font: Study on the critical raw materials for the eu 2023-ET0723116ENN):
La gran demanda de les CRM genera doncs un nou marc de geopolítica mundial. A més de nous reptes socials i mediambientals per tal de minimitzar els impactes i incentivar-ne el reciclatge dels materials.
En definitiva, potenciar l’economia circular [4] amb les 3R clàssiques: reduir, reutilitzar i reciclar.
Per tant, cal plantejar-se tres grans preguntes i tenir clares les respostes:
- Quins són els elements crítics i estratègics per a la transició energètica i la digitalització ?
- Quina és la situació global de la UE i quin és el seu grau de dependència?
- Quin és el paper de l’economia circular en aquest context?
A continuació es tractarà de respondre a totes aquestes qüestions.
Elements crítics i estratègics per a la transició energètica i la digitalització
Donada la creixent preocupació de garantir la seguretat de subministrament de CRM a la UE, el 2008 la Comissió Europea (CE) va prendre la Iniciativa Europea de Matèries Primeres. Estratègia integrada que estableix mesures específiques per tal de garantir i millorar l’accés a les CRM per la UE:
Garantir un subministrament just i sostenible de CRM provinents de mercats internacionals dins la UE i impulsar la utilització eficient dels recursos i promoure el reciclatge.
Com acció prioritària s’estableix una llista de CRM no energètiques a escala de la UE [5]. La llista es revisa cada tres anys i la última és la del 2023, amb 34 CRM (Font: Study on the critical raw materials for the eu 2023-ET0723116ENN):
El mateix estudi proposa les CRMs segons quinze sectors tecnològics estratègics (Font: EC Raw Materials Foresight Study 2023):
Al següent gràfic es mostre el fluxe de CRMs cap a les tecnologies anteriorment indicades:
El subministre de les CRMs presenta, en molts casos, un alt grau de concentració.
Per exemple, la major part de les terres rares que importa la UE prové de Xina, la major part del borat prové de Turquia i Sudàfrica subministra la major part del platí que necessita la UE i un percentatge encara més gran d’iridi, rodi i ruteni, metalls del grup del platí.
S’adquireix únicament el 100 % del hafni i l’estronci a empreses específiques de la UE.
Totes les CRM establertes el 2023 es situen en el gràfic següent entre les dues línies discontínues. Coure i níquel ho eren l'any 2020.
Risc de subministrament i percentatge propi de la UE
Al gràfic següent es mostren els percentatges de participació de la UE en cadascuna de les cadenes productives (bateries, cèl·lules de combustible, aerogeneradors, motors elèctrics, panells fotovoltaics, robòtica, drons i impressores 3D). S’observa que el grau de participació és, en general, molt baix i que el risc de subministrament és entre moderat, alt i molt alt. El grau de dependència de la UE és doncs molt important (Font: EC Raw Materials Foresight Study 2023).
Vulnerabilitat de la cadena de subministraments europea
A la gràfica anterior els passos més vulnerable s'assenyalen amb cercles de color vermell mentre que els menys vulnerables es mostren en color gris. A més, els cercles informen de la quota mitjana de la UE en la producció mundial per al pas pertinent de la cadena d'aprovisionament. Aquesta quota no s'ha d'interpretar com una indicació directa del color de la bombolla, encara que és un paràmetre important per determinar si un pas de la cadena d'aprovisionament és crític o no.
En general, la UE mostra una vulnerabilitat significativa al llarg de les cadenes d'aprovisionament examinades: només 17 cercles són de color griss d'un total de 70. Per tant, 53 passos de la cadena d'aprovisionament són crítics. Tanmateix, es pot identificar un patró general en el gràfic.
D'una banda, el pas de les matèries primeres és sistemàticament crític per a totes les tecnologies. Aquí, la quota de la UE en la producció mundial mai no és superior al 7%. D'altra banda, la vulnerabilitat de la UE tendeix a disminuir al llarg de la cadena d'aprovisionament. En l'últim pas de la cadena (el producte final, és a dir, muntatges, supermuntatges o sistemes), hi ha gairebé tants casos de no vulnerabilitat com de vulnerabilitat. Per tant, la UE és raonablement forta en la fabricació de les tecnologies finals.
La quota de la UE en la producció mundial és, de mitjana, del 28% en aquests últims passos (disminuint al 20% si s'exclouen les tecnologies espacials, on la naturalesa restringida del mercat reforça la producció nacional). No obstant això, la criticitat dels passos aigües avall posa de manifest els reptes als quals s'enfronta la UE per garantir un subministrament assequible i segur dels materials i components necessaris per fabricar aquestes tecnologies. A més, cinc tecnologies (bateries; energia solar fotovoltaica; emmagatzematge i servidors de dades; telèfons intel·ligents, tauletes i portàtils; i drons) mostren vulnerabilitat al llarg de tota la cadena d'aprovisionament, posant de manifest la dependència de la UE també en el cas dels productes finals.
I comparant-nos amb els Estats Units d’Amèrica, la situació és força semblant [6], amb la diferència que els Estats Units tenen més empreses gestores d’aquestes CRM que la UE i estan una mica millor en quant a les importacions d’algunes matèries:
La UE és doncs clarament fora del grup de països proveïdors de CRMs, grup en el que hi destaca clarament la Xina, tal com es pot comrpovar en una taula anterior.
A la taula següent es mostren els principals subministradors actuals (2023) de CRM de la UE [7][8]:
El cotxe elèctric
Vegem, en un petit resum, les CRM bàsiques del cotxe elèctric (Font: Study on the critical raw materials for the eu 2023-ET0723116ENN, Annex: 1):
La bateria del cotxe elèctric
Un cotxe elèctric és molt més simple que un cotxe de motor d’explosió. Té menys avaries, és més fiable i de més fàcil manteniment. És indubtable a més que aporta grans avantatges ecològics. El seu punt dèbil, però, és la bateria. El seu taló d’Aquil·les. Aquesta pot arribar a suposar gran part del cost de producció del vehicle sencer. A més, l’extracció dels seus materials de construcció presenta greus problemes ecològics, socials i geo-estratègics [9].
Paradoxalment, Europa lidera el mercat de venda de turismes elèctrics endollables, per regió/país (2015/2021)[10]. Per davant de la Xina i dels Estats Units d’Amèrica. Per tant, és clar que Europa ha fet una aposta pel cotxe elèctric.
Una bateria d’ió liti té un contingut de 165 g/kWh. Aproximadament uns 870 g de carbonat de liti (Li2CO3) per quilowatt-hora.
Per tant, un turisme de gama mitjana amb una bateria de 50 kWh conté uns 8,3 kg de liti (uns 43,5 kg de Li2CO3). Amb un pes total de la bateria d’uns 300 kg. Suposant un preu de 70 €/kg Li2CO3 aquesta bateria té un preu de cost d’uns 3.000 €. Un cost molt semblant al de la resta del cotxe.
Composició de la bateria
A la imatge següent es pot observar la composició d’una bateria de 60 kWh [11].
Conté doncs 185 kg de materials crítics, desglossats en la taula següent:
El top ten dels fabricants mundials de bateries per a cotxes elèctrics són [12]:
L’any 2021, el preu d’una bateria d’ió liti havia baixat un 89% respecte l’any 2010 [13].
El problema però és que no es pot preveure quin serà el cost en el futur donada la seva volatilitat.
El càtode d’una bateria representa més de la meitat del seu preu (pel preu del liti i altres CRM; al gràfic: Li, Ni, Co i Mn) i observis que qui controla el mercat en la seva totalitat és la Xina (80%) i en qualsevol moment pot canviar els regles del mercat i la incertesa en els preus futurs de les matèries primeres és un problema molt greu en l’evolució dels mercats.
Com a mostra, vegem com a evolucionat posteriorment el preu del liti (carbonat i hidròxid de liti) en els mercats: [14]
El problema de la incertesa dels mercats és especialment greu quan es consideren les expectatives de creixement d’aquí a l’any 2050.
El liti és un mineral extraordinàriament abundant a la Terra, però la seva extracció és cara i escassa. El seu preu ha augmentat exponencialment i es preveu que segueixi creixent en el futur.
El mercat del liti és molt variable. Benchmark Minerall Intelligence va calcular que el creixement del preu del liti des de gener del 2020 va ser d’un 900%.
Segons els seus anàlisis del mercat, com a conseqüència del creixement de la demanda de vehicles elèctrics i una gran sequera a la Xina, la més intensa en seixanta anys, amb una disminució dràstica de la producció d’energia hidroelèctrica.
A més, Benchmark, apuntava a que la situació no canviaria en el curt termini. La demanda de bateries de liti augmentaria en un 36% i la producció del material creixeria un 33%. La demanda sobrepassaria l’oferta en un 3% i el preu pujaria. Tanmateix, l'acumulació dels stocks ha fet que l'any 2023 els preus hagin baixat als nivells anteriors.
Les previsions del consum de la UE són les següents, segons tres escenaris: baix, mitjà i alt, separats per les ratlles horitzontals a les barres verticals (BOBBA et al., 2020):
Europa pressiona a favor del cotxe elèctric. A partir de 2035 estarà prohibit vendre vehicles amb motor de combustió (excepte casos excepcionals) i, abans, la normativa europea d’emissions aplanarà el camí per tal de que els vehicles elèctrics o altament electrificats siguin els habituals al carrer.
El principal afectat serà, com sempre, el consumidor final. Els preus dels automòbils segueixen pujant però els fabricants no perden diners. Venen menys unitats augmentant els beneficis. Cotxes més cars i una clara aposta pels serveis de subscripció. Tenir cotxe en propietat serà molt més car.
Producció i reserves de Li a finals del 2022
La producció mundial de liti és molt concentrada: salar d’Atacama (Xile), salar de Hombre Muerto (Argentina), el salar d’Uyuni (Bolívia), Silver Peak (Nevada, Estats Units), llac Taijinaier (Qinghai, Xina) i llac Zhabuye (Tibet). A més, fa pocs, a Bacadéhuachi (serra alta de Sonora). Xile, Argentina i Bolívia conformen el triangle del liti, amb el 85% de les reserves descobertes del món.
Avui en dia, els 10 països del món amb majors reserves de liti (segons el Servei Geològic dels Estats Units) són:
- S’estima que Bolívia disposa de 21 milions de tones de liti però no han estat encara explotades per factors tècnics, geogràfics i polítics.
- Als Estats Units no es produeix pràcticament liti, el consum s’abasteix de les importacions d’Argentina i Xile.
- Austràlia es posiciona com el primer país productor de liti, extret principalment de roca dura (espodumena) amb alts nivells de liti i alumini.
- Xina, utilitza el seu liti principalment en la producció de les bateries d’ió liti del món i controla la major part de les instal·lacions de processament de liti del món.
- La República Democràtica del Congo es posiciona per ser un país clau en el futur.
- Al Canadà s’han consolidat diversos projectes, un dels principals l’extracció de liti de la mina de Manitoba, destinats al cotxe elèctric als Estats Units.
- A Alemanya s’ha trobat liti a Oberrheingraben. Regió del sud-oest amb aigües termals on s’utilitza la infraestructura geotèrmica per la seva extracció, reduint-hi les emissions de CO2.
L’economia circular com a única solució per la UE
La única solució viable per la UE, donada la seva enorme dependència respecte les CRM, és l’economia circular. Basada en les 3R: reducció, reutilització i reciclatge. A més d’augmentar la seva presència, a nivell mundial, en la mineria i la indústria transformadora de les CRM.
Bibliografia
Moltes de les dades d’aquest resum han estat extretes en gran part dels informes de la Comissió Europea de l’any 2023:
- Study on the critical raw materials for the eu 2023.
- Supply chain analysis and material demand forecast in strategic technologies and sectors in the EU – A foresight study.
S'han utilitzat també:
- Reservas de litio en el mundo, países con mayor cantidad. Tiempo Minero J.V.
- Alemania: nueva tecnología para la extracción sostenible de litio.. Ulrich, K. (28/07/2020). DW.
- Bobba S., Carrara S., 2020: Critical Raw Materials for Strategic Technologies and Sectors in the EU: “A Foresight Study”
Jordi Coll Vera - 2023