Situace v oblasti nabídky a poptávky vzácných zemin v letech 2010-2015
K.A. Gschneidner, Jr., Ames Laboratory, U.S. Department of Energy and Department of Materials Science and Engineering
Iowa State University
Úvod
Prvky vzácných zemin ovlivňují téměř všechny lidi na světě. Všichni lidé žijící v technologicky vyspělých zemích a téměř všichni lidé žijící v zemích třetího světa využívají prvky vzácných zemin v každodenním životě - v autě, kterým člověk jezdí (benzín se rafinuje z ropy pomocí katalyzátorů ze vzácných zemin a katalyzátory snižují znečišťující emise z výfuků automobilů), při sledování zpráv v televizi (červená a zelená barva televizních obrazovek), v telefonech a počítačích, které používáme ke komunikaci (permanentní magnety v reproduktorech a diskových mechanikách), a to je jen několik příkladů. Úplný výčet najdete v tabulce 2. Jediný způsob, jak se vzácným zeminám vyhnout, je vzít si spacák a vydat se do hlubokých lesů nebo jeskyní v poušti daleko od civilizace bez mobilního telefonu nebo dokonce bez zapalovačů (které jsou vyrobeny ze železa a vzácných zemin bohatých na cer). Kromě dopadu na náš osobní život je na vzácných zeminách (permanentních magnetech v elektromotorech, počítačích a naváděcích systémech) velmi závislá vojenská bezpečnost USA (a podobně i zbytku světa): platí to i pro naši energetickou bezpečnost (elektromotory, baterie, větrné turbíny, rafinace ropy a zářivky). V současné době pochází 97 % vzácných zemin používaných v obchodě z dolů v Číně (především z bastnäsitového dolu Bayan Obo ve Vnitřním Mongolsku), asi 2 % z Indie a po zhruba půl procentech nebo méně z Brazílie, Malajsie a USA. Tato nejistá situace nevěstí nic dobrého pro technologickou budoucnost USA a zbytku nečínského světa (ROW). Přestože ROW může získat většinu potřebných vzácných zemin, ceny prvků vyráběných v Číně se za poslední rok zvýšily přibližně o 100 % a u vybraných jedné nebo dvou vzácných zemin - překvapivě La a Ce - až o 900 %.
Jak je patrné z obrázku 1 prvků vzácných zemin je přiměřeně velké množství a leží mezi 25.. a 75-tého percentilu přirozeného výskytu prvků, přičemž cer je nejhojnějším prvkem vzácných zemin a lutecium nejméně. Běžně těžené minerály vzácných zemin jsou uvedeny v tabulce 1. Neznamená to, že by se vzácné zeminy nacházely pouze v Číně; je známo, že životaschopná ložiska se nacházejí téměř v každém koutě světa. V Číně se nachází asi 31 % známých zásob, zatímco v USA se nachází jedno z nejlépe těžitelných ložisek na světě - Mountain Pass v Kalifornii, které leží asi 75 mil západně od Las Vegas na mezistátní silnici č. 15, asi 5 mil uvnitř kalifornsko-nevadské hranice. Pokud je situace taková, jak jsme se (ŘSD) dostali do tohoto dilematu? A jak se z toho ROW dostane? Některé odpovědi následují v následujících odstavcích.
Obrázek 1.Relativní zastoupení vzácných zemin (zvýrazněno červeně). Obrázek s laskavým svolením Gordona Haxela, USGS.
Historie
Před rokem 1960 činila produkce vzácných zemin ~2 kt ročně a rostla tempem přibližně 10 % ročně až na 124 kt v roce 2010. Objev intenzivní červené luminiscence Eu při excitaci elektrony, která byla rychle využita v barevné televizi na počátku 60. let 20. století, byl počátkem procesu růstu průmyslu vzácných zemin. Výroba oxidů vzácných zemin z ložiska bastnäsitu v Mountain Pass v Kalifornii společnosti Molycorp byla zahájena v roce 1964 a během dvou let společnost dodávala 50 % oxidů vzácných zemin spotřebovaných na světě a pokračovala v tom až do roku 1984. V roce 1985 začala Čína vyvážet směsné koncentráty vzácných zemin a do roku 1990 její produkce převýšila produkci v USA. Počátkem 90. let začala Čína vyvážet separované oxidy vzácných zemin a kovy a snížila množství směsných vzácných zemin dodávaných do zbytku světa. Koncem 90. let 20. století Číňané pokračovali ve zvyšování dodavatelského řetězce a přešli k výrobkům s vyšší hodnotou, jako jsou magnety, luminofory a leštící sloučeniny. Od přelomu století Čína dodává hotové výrobky včetně elektromotorů, počítačů, baterií, displejů z tekutých krystalů (LCD), mobilních telefonů a přenosných hudebních zařízení. Další podrobnosti týkající se těchto změn lze nalézt v nedávných článcích zveřejněných v Science,1 Chemical and Engineering News,2 a Bloomberg/Business Week.3
V roce 1970 měla Čína 75 % známých zásob vzácných zemin a na základě toho začala prokazovat silnou pozici na trzích se vzácnými zeminami. V následujících 30 letech však procento čínských zásob kleslo na přibližně 30 % v důsledku objevení nových ložisek po celém světě, přestože absolutní objem známých čínských zásob vzrostl přibližně o 290 %. V poslední době Čína změnila svůj přístup k trhu se vzácnými zeminami a zavedla výrobní kvóty, vývozní kvóty a vývozní daně, prosadila právní předpisy v oblasti životního prostředí a neudělila žádné nové licence na těžbu vzácných zemin. Čína dále uvedla, že již nebude vyvážet hotové výrobky ze vzácných zemin, a to z důvodu rychlého růstu vnitřních trhů a omezených zásob, zejména těžkých vzácných zemin (Gd až Lu). V důsledku toho se cena materiálů a výrobků obsahujících vzácné zeminy zvýšila na úroveň, při níž mohou být těžební společnosti a výrobci v ROW konkurenceschopní a dosahovat zisku. Roční produkce oxidů vzácných zemin mimo Čínu se v roce 2009 odhadovala na 4 kt tun. Existuje ještě jeden důležitý zdroj materiálů vzácných zemin: ty, které se pašují z Číny; většinu z nich tvoří vysoce ceněné těžké lanthanoidy a yttrium pocházející z jihočínských ložisek xenotimu a lateritových jílů. Odhaduje se, že v roce 2007 činil černý trh 30-40 kt, tj. asi 20 % oficiálně zveřejněných čísel. Čínská vláda se samozřejmě snaží tento únik zastavit a zdá se, že se jí to daří, protože poslední odhad se v roce 2010 snížil na přibližně 15-20 kt.
Různá použití směsných a jednotlivých vzácných zemin jsou uvedena ve čtvrtém sloupci tabulky 2 Uvedena je také odhadovaná současná poptávka (sloupec 3) a procentuální podíl dané komodity vzácných zemin vzhledem k celému trhu (sloupec 2 a obrázek 2). Situace na trhu pro každou vzácnou zeminu - vyrovnaná, přebytková, napjatá (nedostatková) - je rovněž uvedena v tabulce 2 (sloupec 3). Největšími trhy jsou Ce (30 % celkové hmotnosti), směsné vzácné zeminy (28 %), La (25 %), Nd (16 %) a Pr (5 %). Ze zbývajících deseti ostatních trhů mají tři podíl 2 % nebo méně (Sm, Gd a Dy) a na ostatních sedm připadá každý méně než půl procenta. Je třeba poznamenat, že pouze 43 % dnes vytěženého ceru je využito, a pokud by byl cer zcela využit, jeho podíl na trhu by činil téměř 50 %. Přestože je separace ceru ve srovnání s ostatními vzácnými zeminami relativně levná - jedná se o jednoduchý oxidačně-redukční proces - musí být nejprve odstraněn z proudu, aby bylo možné začít zpracovávat ostatní vzácné zeminy protiproudým procesem extrakce kapalina/kapalina.
Je zde také druhá daň: musí se skladovat (asi 50 kt ročně). Průmysl vzácných zemin by velmi uvítal nové, velké (desítky ktun) aplikace ceru. Pokud by byl trh s cerem vyrovnaný, výrazně by to snížilo náklady na ostatní prvky vzácných zemin. Využití vzácných zemin podle různých aplikací je uvedeno na obrázku 3. Na obrázku 4 jsou zobrazeny některé vzorky kovů, oxidů a fluoridů vzácných zemin vysoké čistoty (výzkumná třída), které byly vyrobeny ve Středisku pro přípravu materiálů laboratoře Ames.4
Obrázek 2.Rozdělení vzácných zemin podle procentního podílu na celkovém vyrobeném objemu. REO odráží směsné kovové oxidy vzácných zemin.
Obrázek 3. Rozdělení prvků vzácných zemin podle konečného použití v roce 2009. Údaje z přehledů nerostných surovin USGS.
Obrázek 4.Kovy vzácných zemin (obloukově tavené knoflíky a litá tyč), oxidy (prášky) a fluoridy (krystaly). Zdroj: Zdroj: Amesova laboratoř.
Budoucnost
Těžba
Nejlepší prognóza naznačuje, že těžební společnosti v ROW musí zvýšit svou produkci z 6 kt v roce 2010 na 50 kt v roce 2015, aby uspokojily rostoucí poptávku. Předpokládá se, že důl Mountain Pass bude v roce 2012 v plném provozu, bude dodávat 20 kt/rok a v druhé fázi svého rozšíření v roce 2013 toto množství zdvojnásobí. Australský monazitový důl Mount Weld zahájí těžbu v roce 2011 a v roce 2013 bude schopen dodávat 21 kt/rok. Tyto dvě společnosti by měly být schopny pokrýt většinu předpokládané poptávky v letech 2014-2015. Tato dvě ložiska však obsahují převážně lehké prvky vzácných zemin (La, Ce, Pr, Nd a Sm). Poptávka po Nd a těžkých vzácných zeminách Tb a Dy bude v pololetí 2011-2015 napjatá. Existuje řada menších ložisek s velkým podílem těchto tří prvků, která by měla být uvedena do provozu v období 2014-2015, což by mohlo zmírnit tlak na těžké prvky vzácných zemin.
Dva významné nečínské doly, které jsou dnes v provozu, jsou ložisko Orissa (Toyota, Indie) a bastnäsite Dong Pao (spoluvlastněný několika asijskými společnostmi, Vietnam). Oba jsou producenty lehkých lanthanoidů a představují přibližně 5 kt REO z ROW. Předpokládá se, že v období 2013-2015 bude uvedeno do provozu pět dalších dolů na lehké lanthanoidy vzácných zemin. Kromě těchto deseti zdrojů existuje 100 až 150 ložisek, která byla propagována jako možné zdroje vzácných zemin, ale většina z nich se nikdy nestane plně funkčními doly. Pokud bude uvedena do provozu většina nových slibných dolů a již zavedených dolů, bude v období 2015-2020 na trhu přebytek oxidů vzácných zemin, a to za předpokladu, že poptávka poroste o 10 % ročně.
Střední dodavatelský řetězec a výrobci originálních zařízení
Přestože se zdá, že vytěžené rudy, zpracované koncentráty vzácných zemin a separované jednotlivé vzácné zeminy by měly pokrýt poptávku po těchto výchozích materiálech v letech 2011-2015, hlavním problémem bude absence výrobců ROW v dodavatelském řetězci, kteří by oxidy vzácných zemin přeměnili na užitečné výrobky, např, magnety, baterie, luminofory. To se týká i výrobců originálních zařízení (OEM) z ROW, kteří vyrábějí konečné výrobky [např. počítače, elektromotory, mobilní telefony, kompaktní zářivky (CFL), LCD displeje a baterie], neboť ti byli v 90. letech minulého století vytlačeni z trhu. Nemá smysl těžit a zpracovávat výchozí materiály vzácných zemin v USA a posílat je do Asie k výrobě finálních produktů a poté je posílat zpět do Spojených států.
Vlády USA a zemí ROW musí podniknout rázné kroky k obnovení středního dodavatelského řetězce a odvětví OEM, která mohou účinně konkurovat v celosvětovém měřítku. Nejpřímějším způsobem, jak oživit střední dodavatelský řetězec a výrobce OEM, je zavést dlouhodobé zaručené půjčky těmto organizacím na přeměnu vytěžených oxidů vzácných zemin na kovy pro magnety, baterie a magnetické chladicí systémy a na další užitečné sloučeniny pro luminofory, optické součástky, katalyzátory atd. Tyto společnosti se musí modernizovat, využívat nejnovější dostupné technologie a automatizovat výrobní procesy - jen tak budeme schopni účinně konkurovat v celosvětovém měřítku.
Vzdělávání vědeckých a technických pracovníků
K dilematu ROW přispívá také nedostatek vyškolených a zkušených vědců a inženýrů, zejména mladších 50 let, kteří by tyto technologické mezery v dodavatelském řetězci zaplnili. Mnoho starších žijících vědců a inženýrů, kteří pracovali pro firmy v dodavatelském řetězci vzácných zemin, buď odešlo do důchodu, nebo přešlo na nové pozice a není pravděpodobné, že by se do odvětví vzácných zemin vrátili. Nedostatek intelektuální infrastruktury lze řešit zřízením Národního výzkumného centra pro vzácné zeminy při vzdělávací instituci s vazbami na další univerzity, vysoké školy a výzkumná centra. O tom nedávno podrobněji pojednal autor.5
Po ukončení studia studenti nastoupí do zaměstnání, tj. do průmyslu, vzdělávacích institucí, státní správy, neziskových laboratoří atd. Než dosáhnou svého plného potenciálu, uplyne v průměru dalších pět až deset let. To je okamžik, kdy a po něm budou vynalézat nové výrobky, navrhovat nové a zdokonalené postupy, které učiní nová i stará vyspělá zařízení a výrobky hospodárnějšími (a možná současně ekologickými technologiemi), stanou se našimi budoucími vedoucími pracovníky ve vzdělávání a budou mít další vědecký a technologický přínos pro společnost. Právě tyto osoby nám pomohou získat zpět naše technologické prvenství a vynalézavost, které jsme kdysi měli v 80. a na počátku 90. let. Poslání střediska by tedy mělo být splněno v horizontu 10 až 15 let od jeho zahájení - je to dlouhá doba, ale vyplatí se to. To je šance, které se USA a ROW musí chopit.
Další řešení
V současné době se s výjimkou Japonska recyklují výrobky obsahující vzácné zeminy jen málo nebo vůbec, ale některé výzkumné snahy byly zahájeny, přinejmenším v USA. Je pravděpodobné, že další výzkum na toto téma budou financovat národní vlády ROW. Jedním z hlavních problémů je, že ačkoli jsou vzácné zeminy základními součástmi elektronických zařízení atd., tvoří pouze malý zlomek hmotnosti/objemu konečného výrobku (např. počítače). V důsledku toho je jejich podíl zhruba stejný jako u chudších rudních těles (tj. ~2 %), která se dnes těží. U mobilních telefonů a přenosných hudebních zařízení je to mnohem horší, magnety vzácných zemin váží méně než 0,1 % zařízení.
V současné době existuje malá snaha o nalezení náhrad za prvky vzácných zemin, ale je to obtížný úkol, částečně kvůli jejich jedinečné elektronické struktuře a jedinečným vlastnostem 4f elektronových orbitalů. Hlavní vysoce technologické aplikace (optika, luminofory, fluorescenční osvětlení, elektronická zařízení, magnety) materiálů na bázi vzácných zemin (lanthanoidů) závisí na specifické konfiguraci 4f elektronů každého prvku. Proto jsou tyto aplikace zcela jedinečné, takže je obtížné najít jiné prvky, které by nahradily atom vzácné zeminy, a to i jeden lanthanoid za druhý. Šance na nalezení náhrady za určitý vzácný zemin se pohybuje od malé až po žádnou v závislosti na aplikaci. Vědci a inženýři hledají náhrady od prvního dne, kdy se nová aplikace stala životaschopnou. Například červená barva v televizorech je způsobena Eu - existuje již více než 50 let a nebyla nalezena žádná náhrada; podobně uplynulo více než 30 let pro permanentní magnety Sm (692859, 692840, 692832) a třícestný automobilový katalyzátor Ce a přibližně 27 let pro Nd-Fe-B (693790, 693782, 693820) permanentní magnety a stále se nepodařilo najít žádnou životaschopnou náhradu, která by vykazovala stejné vlastnosti. Ne že bychom to neměli zkoušet, ale musíme si uvědomit, že úspěch není příliš pravděpodobný.
Částečná náhrada jednoho lanthanoidu jiným však může rozšířit využití mateřského lanthanoidu. Například částečná náhrada Pr za Nd v permanentních magnetech Nd-Fe-B je možná, ale protože v původním zdroji rudy připadají na 1 atom Pr přibližně 4 atomy Nd, pouze se tím sníží množství Nd použitého v těchto permanentních magnetech, ale má to další výhodu v tom, že Pr není vedlejším produktem, který se musí skladovat. Další situací je nahrazení nebo částečná náhrada La v nikl-metalhydridových (685933) bateriích mischmetalem (kovová směs přirozeně se vyskytujících rud vzácných zemin - 50 % Ce, 25 % La, 15 % Nd, 4 % Pr). V obou případech dochází k určitému snížení výkonu magnetu nebo baterie, ale vlastnosti jsou pro některé aplikace stále dostatečné.
Existuje jedna možná životaschopná náhrada permanentních magnetů ze vzácných zemin ve větrných turbínách s přímým pohonem, a to použití vysokoteplotní keramiky YBa2<./sub>Cu3O7 (328626) supravodiče pracujícího při teplotě ~50 K pro generování magnetického pole.6 Tím se však vymění jedna vzácná zemina (Y) za jinou (Nd), což by vyvolalo tlak na trh s Y, který je v současnosti v rovnováze, aby se zmírnil tlak na trhu s Nd. Je to dobrý kompromis?
Vždy se lze vrátit k výrobku, který vzácná zemina nahradila, a použít jej místo ní. Smířil by se však uživatel s horším výkonem? Například přenosné počítače by byly asi o 50 % větší a vážily by dvakrát tolik. Podobně by se automobilový průmysl musel vrátit k těžším a objemnějším elektromotorům a v důsledku toho by se snížil počet ujetých kilometrů z galonu (litru) benzinu - to není pravděpodobné, protože automobilové společnosti se velmi snaží splnit vládní normy CAFE (corporate average fuel economy) (35.5 mil na galon v roce 2016), aby se zvýšil počet mil, které člověk ujede z galonu paliva.
Vzhledem k velikosti podílu Číny na trhu s dodávkami a rafinací vzácných zemin panuje ohledně budoucích trhů se vzácnými zeminami velká nejistota. Čína navíc tvrdí, že za několik let (do roku 2015) již nebude do ROW dodávat žádné materiály vzácných zemin, protože očekává, že její vnitřní spotřeba vzácných zemin využije všechny vzácné zeminy vytěžené v tuzemsku. Otázkou je, zda po roce 2015 začnou některé vzácné zeminy dovážet, především těžké lanthanoidy a yttrium. Nebo zvýší svou vnitřní produkci? První možnost je nejpravděpodobnější, protože čínské těžební společnosti se aktivně snaží koupit významný podíl ve světových zdrojích rud vzácných zemin, zejména těch, které mají převahu yttria a těžkých lanthanoidů. Je to proto, že se očekává, že jejich iontově absorpční (lateritová) ložiska jílů budou vyčerpána do roku 2025 nebo dříve. Jako hlavní zdroj těžkých vzácných zemin jim tak zůstává pouze jedno známé xenotimové ložisko v Guangdongu.
Čína zřejmě nadále kontroluje svůj podíl na trhu se vzácnými zeminami ve fázi těžby, zušlechťování a počáteční separace (tj. tyto komodity již nevyváží). Využívání těchto materiálů uvnitř země přímo ovlivňuje nabídku výrobků ze vzácných zemin dále v dodavatelském řetězci, kde je ROW nejslabší v důsledku zániku technické, vědecké a podnikatelské infrastruktury pro vzácné zeminy, která se zhoršila na konci 90. let a na začátku roku 2000.5
Je velmi nepravděpodobné, že čínští výrobci sníží ceny celého trhu se vzácnými zeminami, jak to zpočátku dělali, aby si vytvořili silnou pozici na trhu (zhruba v letech 1992-2005). Mohou však snížit ceny vybraných vzácných zemin kvůli určitým ekonomickým výhodám. Bez ohledu na to může ROW uspokojit rostoucí poptávku po materiálech vzácných zemin obnovením kapacit pro těžbu, zpracování a rafinaci, rozvojem středního dodavatelského řetězce a výroby hotových výrobků a vzděláváním nové generace vědců, kteří budou přispívat k rozvoji průmyslu vzácných zemin.
Poděkování
Autor děkuje svým kolegům V. K. Pecharskému, A. H. Kingovi, I. E. Andersonovi a S. R. Karsjenovi a Nathanielu Hendersonovi za konstruktivní připomínky. Práce v Amesově laboratoři je podporována Úřadem pro základní energetické vědy, Oddělením materiálových věd Úřadu pro vědu Ministerstva energetiky USA na základě smlouvy č. DE-AC02-07CH11358 s Iowskou státní univerzitou.
Odkazy
Abyste mohli pokračovat ve čtení, přihlaste se nebo vytvořte účet.
Nemáte účet?