Echipa Future Energy Leaders România, platforma de tineret al Comitetul Național Român al Consiliului Mondial al Energiei (CNR-CME), lanseaza noul proiect editorial dedicat materialelor critice, care vor fi indispensabile în procesul de tranzitie energetică. Vom publica articole din partea FEL despre grafit, litiu, cobalt, nichel şi cupru. Citiți astăzi articolul despre grafit.
Autor: Olivian SAVIN, doctor inginer în energetică, absolvent ca șef de promoție al Facultății de Energetică din cadrul UPB al departamentului de hidroenergetică, cu doctorat industrial și experiență în Franța la Électricité de France (EDF), reglementare și agregare.
“Deși cea mai cunoscută utilizare a grafitului este în minele de creion, acest material joacă un rol mult mai important, mai ales în industria modernă. Dincolo de a lăsa o urmă pe hârtie, grafitul este esențial pentru numeroase aplicații industriale, cu o relevanță deosebită în sectorul energetic. Odată cu apariția bateriilor pentru stocarea energiei, devine crucial să înțelegem mai bine materialele din care acestea sunt fabricate. Grafitul reprezintă aproape jumătate din compoziția bateriilor litiu-ion, care alimentează vehiculele electrice și echipamentele portabile din viața de zi cu zi. Prin acest articol, ne propunem să aducem în prim-plan importanța acestui material în tranziția energetică și să subliniem rolul strategic pe care îl joacă în revoluția tehnologică a stocării energiei” .
- Ce este grafitul și unde se folosește?
Grafitul este un mineral compus din foițe de atomi de carbon suprapuse, cu o structură cristalină hexagonală. Este cea mai stabilă formă de carbon pur în condiții standard. Grafitul este foarte moale, are o greutate specifică scăzută, este relativ nereactiv și are o conductivitate electrică și termică ridicată. Etimologia termenului provine din limba greacă: γραφειν (graphein) = a scrie, aceasta fiind datorată urmei negre lăsată pe hârtie, proprietate care a determinat folosirea mineralului în fabricarea minelor de creioane.
Grafitul, o formă de carbon cunoscută în mod obișnuit pentru utilizarea sa în miez de creion, servește în mod tradițional la diverse aplicații tehnice: ca lubrifiant, conductor electric, material refractar sau pur și simplu ca sursă de carbon brut. Din punct de vedere istoric, industria metalurgică a fost principalul consumator de grafit, utilizându-l în creuzete, ca materie primă pentru fabricarea oțelului și ca electrozi în cuptoarele cu arc electric. Cu toate acestea, industria bateriilor devine rapid principalul consumator de grafit, proiecțiile indicând că aceasta ar putea reprezenta peste jumătate din cererea totală până la sfârșitul anilor 2020 [1].
Utilizarea grafitului în baterii a crescut începând cu anii 1970. Grafitul natural și cel sintetic sunt utilizate ca componente în principalele tehnologii de baterii, inclusiv în cele cu hidrură de nichel-metal și plumb-acid. Utilizarea ca material anodic în bateriile litiu-ion a devenit aplicația predominantă, ceea ce a accelerat cererea de material de grafit în trecut și o va face și în viitor.
2. Aplicație în industrie – Grafitul în baterii
Pe măsură ce lumea trece din ce în ce mai mult de la energia provenită din combustibili fosili la electrificarea fără emisii, bateriile devin un instrument de stocare vital pentru a facilita această tranziție energetică. Bateriile reprezintă tehnologia de stocare cu cea mai rapidă creștere și vor juca un rol esențial în atingerea obiectivului UE de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră cu 55% până în 2030.
Figura 1. Componentele de baza din diferite tipuri de baterii [2]
Aproximativ 95% din materialul anodic utilizat în bateriile litiu-ion (LiB) se bazează pe grafit, fie grafit sintetic fabricat din precursori care conțin carbon, fie grafit natural obținut prin minerit și rafinare. Grafitul natural și cel sintetic sunt utilizate ca material anodic în celulele bateriilor litiu-ion în combinație, în proporții variabile, în funcție de performanța necesară, de costuri și de modelul de baterie.
3. Unde se găsește grafitul?
Grafitul se găsește și se extrage din zăcăminte geologice naturale sub diferite forme (filon, amorf, fulgi). Cu toate acestea, de la începutul secolului al XX-lea și de la descoperirea procedeului Acheson, mineralul poate fi sintetizat și din produse pe bază de combustibili fosili, cum ar fi cocsul de petrol, cu un proces care generează multe emisii. Majoritatea producătorilor de baterii la nivel mondial depind în mare măsură de China pentru anozi de grafit. Deși în afara Chinei există capacități considerabile de producere a anozilor din grafit natural, acestea depind aproape în întregime de aprovizionarea cu grafit rafinat din China și prezintă rate scăzute de utilizare.
Grafitul natural
În prezent, China reprezintă 99% din piața globală de grafit sferic. Industria dezvoltă noi proiecte în zone geografice diverse, cu un număr tot mai mare de proiecte integrate. Printre acestea se numără Northern Graphite (80 kt) și Nouveau Monde (32 kt) din Canada, resursele Syrah (38 kt) din Statele Unite. În cazul în care aceste proiecte intră în funcțiune conform planificării, ponderea Chinei în aprovizionarea cu grafit sferic va scădea la 85% în 2030 și la 80% în 2040 în scenariul de bază. [4]
Figura 2. Top 3 producatori de grafit 2030[1]
Grafitul sferic
În prezent, mineritul de grafit natural este dominat de China, care reprezintă 80% din producția mondială. În scenariul de bază, grafitul natural extras ajunge la 2,7 Mt în 2030 și la 3 Mt până în 2040. Ponderea Chinei scade la 70% în 2030, datorită creșterii a doi producători emergenți: Mozambic, în special cu proiectul Ancuabe (60 kt), și Madagascar, cu proiectul Molo (150 kt). În plus, apar noi actori în Canada, India, Australia și Tanzania (proiectul Nachu, 130 kt), cu scopul de a satisface piața în creștere a bateriilor.
Grafitul sintetic
Din cauza constrângerilor privind aprovizionarea cu grafit natural, producția de grafit sintetic își crește ponderea în domeniul bateriilor, deși producția sa este, de asemenea, dominată de un singur actor, China. Grafitul sintetic a fost utilizat în mare parte pentru alte aplicații, în special pentru electrozi, care necesitau produse de calitate inferioară. Cu toate acestea, în ultimii ani, producția de grafit sintetic legat de baterii a crescut de la zero la 40% din totalul ofertei de grafit sintetic, ajungând la 55% până în 2040. Grafitul sintetic a devenit un input dominant pentru anozii de baterii, deținând o cotă de piață de 80%.
Grafitul în România
Una dintre cele mai cunoscute zone unde s-au identificat rezerve de grafit în România este zona Baia de Fier, în județul Gorj, în apropiere de Munții Parâng. De asemenea, în zona Munților Apuseni, la Baia de Arieș, s-au raportat rezerve mai mici de grafit. Aceste zăcăminte au fost studiate de-a lungul timpului, dar nu s-au dezvoltat mari proiecte de exploatare, în mare parte din cauza costurilor ridicate și a competiției internaționale din partea unor țări care au rezerve mult mai mari de grafit, precum China. Conform Ministerului Economiei, Antreprenoriatului și Turismului, două cereri de finanțare din fonduri europene, pentru valorificarea zăcămintelor naționale de grafit au fost depuse în vara acestui an de către Societatea Naționala a Sării SA (SALROM)[3].
4. Rolul grafitului în tranziția energetică
De ce se folosește grafitul în baterii?
Grafitul este folosit în bateriile litiu-ion datorită capacității sale de a stoca eficient ionii de litiu datorită structurii stratificate, stabilității electrochimice excelente, conductivității electrice bune, compatibilității cu electroliții și durabilității ridicate. Cea mai frecventă alegere pentru anodii din bateriile litiu-ion este grafitul natural sau grafitul sintetic, deoarece aceste materiale gestionează eficient fluxul de ioni de litiu în timpul încărcării și descărcării. El are o structură stratificată care permite ionilor de litiu să se intercaleze între straturile de carbon, oferind o performanță stabilă și durabilă în cadrul ciclurilor repetate de încărcare.
Materialele anodice din grafit oferă proprietăți aplicative excelente, și anume combinația de densități energetice specifice ridicate, proprietăți bune de încărcare rapidă, precum și o durată de viață și siguranță a ciclurilor lungi, mai bune decât orice altă tehnologie și o scalabilitate dovedită pentru producția de masă, ceea ce permite satisfacerea cererii în creștere rapidă determinată de electromobilitate și de stocarea energiei regenerabile.
De ce este important grafitul în baterii?
- Grafitul este materialul anodic preferat într-o baterie litiu-ion modernă de ultimă generație.
- Grafitul este cea mai mare componentă în volum a unei baterii litiu-ion, care conține de mai multe ori mai mult grafit decât litiu și mai mult decât, de exemplu, nichel și cobalt.
- Grafitul reprezintă aproximativ 95% din piața anozilor
- Cel mai bun raport cost/performanță în comparație cu alternativele care nu au la bază grafitul
- O baterie medie pentru vehicule electrice conține în general între 50 și 100 kg de grafit.
- Aprovizionarea durabilă și sigură a UE în dimensiunea necesară poate fi realizată din surse și producție din UE.
5. Prețul grafitului
La nivel global, piața grafitului este foarte segmentată. În general există două tipuri de grafit, cel natural și cel sintetic. Acestea se împart fiecare în cate 3 categorii, cel puțin, iar prețurile lor au evoluat diferit în funcție de cererea specifică.
Evoluția globală a prețului grafitului (2013-2023)[5,6,7]
- 2013-2017: În această perioadă, prețul grafitului a fost relativ stabil, cu mici fluctuații, influențate în mare parte de cererea pentru grafitul natural folosit în baterii și de cererea pentru grafitul sintetic în industriile metalurgice. Prețul grafitului natural era în jur de 800-1.200 USD/tonă pentru materialul de calitate medie (flake graphite), iar cel sintetic în jur de 2.500-3.500 USD/tonă.
- 2018-2020: Odată cu creșterea cererii pentru vehicule electrice, prețul grafitului natural utilizat în anodele bateriilor litiu-ion a început să crească semnificativ. China, principalul producător de grafit natural și sintetic, a implementat reglementări de mediu mai stricte, ceea ce a limitat oferta și a dus la creșterea prețurilor. În această perioadă, prețul grafitului natural a crescut la 1.200-1.800 USD/tonă, iar cel sintetic a ajuns la 4.000-6.000 USD/tonă.
- 2021-2023: Prețul grafitului a continuat să crească, în special din cauza cererii masive de grafit pentru baterii în contextul tranziției globale către energie verde și vehicule electrice. Pandemia de COVID-19 a generat probleme în lanțurile de aprovizionare, amplificând presiunea asupra prețurilor. Grafitul natural a atins prețuri de 1.800-2.500 USD/tonă, în timp ce grafitul sintetic a crescut până la 5.000-8.000 USD/tonă în anumite cazuri.
De mentionat că aceste preturi sunt indicative, iar la segmentarea pe tipul de grafit intervin și diferențele de regiune de unde este extras. Pe lângă aceste deosebiri, mai mulți factori au influențat evoluția prețului în ultimii 10 ani. Cel mai important este cererea mare de grafit pentru baterii litiu-ion, odată cu creșterea producției de vehicule electrice, dar și de stocare a energiei, a crescut și cererea de grafit pentru baterii, ceea ce a dus la creșterea prețurilor. China a implementat reglementări de mediu și măsuri mai stricte în ceea ce privește producția de grafit, ceea ce a redus oferta și a crescut prețurile la nivel global. Să nu uităm ca pandemia COVID-19 a generat probleme în lanțurile de aprovizionare, crescând volatilitatea prețurilor.
Cererea pentru grafit, în special pentru utilizarea în baterii și vehicule electrice, este de așteptat să crească în continuare, ceea ce ar putea menține prețurile ridicate. Tranziția energetică și dezvoltarea tehnologiilor de stocare a energiei vor continua să fie factori esențiali în determinarea prețurilor la grafit.
6. Provocări – reciclarea materialelor anodice din bateriile litiu-ion
Reciclarea componentelor bateriilor este extrem de importantă, atât din punct de vedere material, cât și din punct de vedere ecologic. Nu numai că folosim și reutilizăm bateria în sine prin încărcarea și descărcarea ei, dar la sfârșitul vieții sale, aceasta poate fi demontată și componentele pot fi reciclate pentru a furniza materiale pentru alte aplicații sau pentru a fi transformate în baterii noi.
Grafitul poate fi reciclat prin procesare la temperaturi ridicate fără a deteriora structura grafitului, ceea ce face posibilă reciclarea anozilor de grafit. Aceasta ar necesita totuși o temperatură de purificare mai mică decât pentru grafitizarea materialului virgin, ceea ce face din grafitul reciclat un produs cu o amprentă ecologică relativ redusă. Reciclarea grafitului sintetic ar face ca bateriile să fie mai puțin dependente de cocsul de înaltă calitate (utilizat ca materie primă pentru grafitul sintetic), care a fost predispus la prețuri volatile, și de importurile din Asia, consolidând piața internă.
Pe termen scurt și mediu, deșeurile de producție vor reprezenta principala sursă de aprovizionare cu concentrat de grafit pentru reciclare. Bateriile scoase din uz vor prelua în cele din urmă rolul de sursă principală.
Bibliografie:
[1] https://www.iea.org/reports/global-critical-minerals-outlook-2024
[2] https://ecga.net/wp-content/uploads/2023/02/Graphite-in-batteries_Infosheet_final.pdf
[4] https://www.statista.com/statistics/267366/world-graphite-production/
[5] https://www.northerngraphite.com/graphite-pricing/
[6] https://www.metal.com/Anode_Materials/202108310002
[7] https://businessanalytiq.com/procurementanalytics/index/graphite-price-index/
BIO:
Olivian SAVIN este doctor inginer în energetică, absolvent ca șef de promoție al Facultății de Energetică din cadrul Universității Politehnica din București al departamentului de hidroenergetică. A urmat un master internațional în cadrul Institutului National Polytechnique de Grenoble (INPG) din Franța, apoi a lucrat la cel mai mare producător de energie din Europa, Electricité de France (EDF), unde a realizat o teză de doctorat industrială cu scopul de a estima durata de viață și costul unei porniri și opriri al unei centrale hidroelectrice. S-a întors în țara unde a lucrat pentru o scurtă perioadă de timp în domeniul reglementării în mediul privat, iar acum este responsabil de partea tehnică a agregării unităților de energie pentru a oferi servicii de sistem prin crearea de centrale virtuale. Este managerul departamentului de Marketing și Comunicare al FEL România de la începutul anului 2023 și este implicat în majoritatea proiectelor FEL România, făcând parte din echipele de redactare a articolelor și a ghidurilor, organizarea conferințelor și a sesiunilor de formare, ocupându-se de imaginea organizației și ținând legătura cu partenerii.
| Știri BVB