Jak nauka odpowie na kryzys na rynku paliw i metali ziem rzadkich wywołany wojną w Ukrainie
Firmy Ingas z Mariupola oraz Cryoin z Odessy znane są w Polsce bardzo wąskiej grupie specjalistów zajmujących się technologią produkcji mikroprocesorów. Dostarczają one na rynki światowe od 70% do nawet 90% wysokiej jakości neonu – gazu szlachetnego niezbędnego do produkcji tych układów.
11 lutego br., 2 tygodnie przed atakiem wojsk rosyjskich na Ukrainę, amerykańska administracja ostrzegła koncerny Intel, Apple, AMD i Qualcomm przed konsekwencjami wstrzymania dostaw neonu. Przypomniano, że w roku 2014, po zajęciu przez Rosję Krymu, jego cena wzrosła o 600%.
Producenci mikroprocesorów potrzebują rocznie ok. 540 ton tego gazu. I nie da się go niczym innym zastąpić. By produkować mikroprocesory, które są sercem każdego komputera, konsoli do gier, telewizora, smartfona, routera, samochodu – zwłaszcza elektrycznego, a nawet pralki czy lodówki, potrzebne są nowoczesne urządzenia fotolitograficzne, które można porównać do gigantycznych drukarek komputerowych.
Największym na świecie ich producentem jest holenderski koncern ASML z siedzibą w Veldhoven, zatrudniający 31 tys. osób. Dostarcza on 67% sprzedawanych na świecie maszyn litograficznych. Jego konkurenci to Ultratech, Canon i Nikon.
Wśród klientów ASML najważniejszy jest tajwański koncern TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) zatrudniający ponad 50 tys. pracowników, produkujący mikroprocesory dla Apple’a, AMD, VIA Technologies czy Nvidii oraz chińskich producentów smartfonów. I uważany za najbardziej zaawansowane pod tym względem przedsiębiorstwo na świecie.
Sercem każdej maszyny fotolitograficznej jest laser, który wykorzystuje mieszankę gazów, w tym neonu. Jeśli tego gazu zabraknie, linie technologiczne TSMC, Samsunga, Intela i innych producentów mikrochipów staną. Konsekwencje mogą być niewyobrażalne, gdyż współczesna cywilizacja opiera się na mikroprocesorach i pamięciach komputerowych. Gdy w roku 2020 z powodu pandemii stanęły chińskie fabryki produkujące mało skomplikowane chipy stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, na całym świecie ograniczono produkcję samochodów w oczekiwaniu na dostawy nowych układów. Teraz może być znacznie gorzej.
Na początku marca br. amerykańscy eksperci szacowali, że zapas neonu zgromadzony przez producentów mikrochipów wystarczy na sześć tygodni. Cztery tygodnie już minęły.
Ingas z Mariupola podobno leży w gruzach tak jak całe miasto, a odeski Cryoin wstrzymał produkcję. Należy wyjaśnić, że Ukraińcy zajmowali się jedynie oczyszczaniem neonu. Surowiec w przypadku Ingasu pochodził z należących do ukraińskiego oligarchy Rinata Achmetowa zakładów metalurgicznych Azowstal, na terenie których broni się dziś batalion Azow. Odeski Cryoin sprowadzał surowiec z Federacji Rosyjskiej.
Koncern ASML od początku konfliktu rozpoczął poszukiwania dostawców wysokiej jakości neonu, głównie w Chinach. Ruszyły też prace nad nowymi technologiami produkcji tego gazu. Na pewno znajdzie się rozwiązanie, ale będzie kosztowało. Dlatego możemy wkrótce się spodziewać podwyżek cen wszystkich urządzeń elektronicznych.
Co z metalami ziem rzadkich?
Nowoczesny przemysł, zwłaszcza zbrojeniowy, nie może bez nich się obejść. To grupa 15 pierwiastków – lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb, lutet, a także skand i itr. Występują one na Ziemi dość powszechnie, lecz ich zawartość w rudach jest niska, co oznacza, że wydobycie i wzbogacanie ich jest bardzo kosztowne. Znajdują one zastosowanie w produktach określanych mianem high-tech. Spotykamy je w nowoczesnych telewizorach, laserach, świecach zapłonowych, kuchenkach mikrofalowych. Bez nich nie mielibyśmy twardych dysków, tomografów komputerowych, samochodów o napędzie hybrydowym, nowych rodzajów uzbrojenia itp.
Liderem w produkcji metali ziem rzadkich są Chiny, lecz w ostatnich latach wzrosło znaczenie Rosji i Ukrainy. Szacunki mówią, że ta ostatnia dysponuje złożami metali ziem rzadkich oraz metali nieżelaznych – litu, tytanu, niklu, kobaltu, chromu, tantalu, niobu, berylu, cyrkonu, skandu, molibdenu i złota o wartości nawet 8 bln dol. Rosja z kolei jest największym na świecie producentem i eksporterem palladu, niezbędnego do produkcji katalizatorów samochodowych, i platyny powszechnie stosowanej w zakładach chemicznych. Produkuje też znaczne ilości tytanu używanego przez koncerny zbrojeniowe.
Ukraińskie złoża tych cennych surowców znajdują się głównie we wschodnich okręgach kraju, zajętych dziś przez wojska rosyjskie. Producentem i eksporterem palladu jest zaś koncern Norylski Nikiel należący do obłożonego sankcjami oligarchy Olega Dieripaski. Na razie sprzedaż tego metalu szlachetnego odbywa się bez przeszkód. Lecz co będzie w przyszłości?
Nic dziwnego, że przedsiębiorstwa zajmujące się tymi pierwiastkami zaczęły poszukiwania nowych źródeł zaopatrzenia i nowych technologii produkcji. Zwrócono uwagę na recykling oraz możliwości przeróbki tego, co do niedawna było traktowane jako odpad. Przy wysokich cenach takie rozwiązania stają się opłacalne. Wyzwaniem jest czas. Opracowanie nowych technologii wymaga co najmniej kilku lat. A za dostawy zarówno metali ziem rzadkich, jak i metali nieżelaznych oraz metali szlachetnych trzeba płacić już dziś. I to niemało.
Rosja o tym wie i choć na razie nie wykonuje gwałtownych ruchów, to wprowadzenie embarga na sprzedaż platyny i palladu oraz położenie ręki na bogatych ukraińskich złożach byłoby niezwykle bolesne dla gospodarek krajów zachodnich.
Jeśli więc Europa chce się uniezależnić od rosyjskich dostaw i przynajmniej ograniczyć wpływy Chin, musi przeznaczyć ogromne środki na opracowanie nowych technologii, które zmniejszą albo wręcz wyeliminują stosowanie metali ziem rzadkich i metali nieżelaznych w produkcji.
Energia z wodoru
To najprostsza część wyzwania, przed którym stanęliśmy w związku z wojną w Ukrainie. Rosyjskie surowce energetyczne możemy zastąpić wodorem – pierwiastkiem najpowszechniej występującym we wszechświecie.
Weźmy amoniak – nieorganiczny związek chemiczny azotu i wodoru – mający szerokie zastosowanie w przemyśle i rolnictwie. Produkowane są z niego nawozy sztuczne. Ponad 100 lat temu niemiecki chemik Fritz Haber opracował metodę syntezy amoniaku z wykorzystaniem azotu z powietrza i naturalnego metanu jako źródła wodoru, za co w 1918 r. otrzymał Nagrodę Nobla. Inny niemiecki chemik, Carl Bosch, udoskonalił ją, dlatego dziś nazywa się ją metodą Habera i Boscha.
Obecnie zamiast metanu powszechnie stosowany jest gaz ziemny. Z pozyskanego tak amoniaku produkuje się nawozy azotowe, tworzywa sztuczne, materiały wybuchowe, farmaceutyki…
Od kilku lat uczeni z wielu krajów pracują nad technologią wytwarzania „zielonego amoniaku”, czyli substancji przyjaznej środowisku. Jednym z pomysłów jest produkcja wodoru przy użyciu energii pochodzącej z odnawialnych źródeł. Przykładem mogą być prace chemików z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii i Uniwersytetu w Sydney, umożliwiające wytwarzanie „zielonego” amoniaku z powietrza, wody i energii elektrycznej pochodzącej z OZE. Ich metoda nie wymaga wysokich temperatur, wysokiego ciśnienia czy rozbudowanej infrastruktury.
Co ciekawe, w te nowoczesne technologie inwestuje również największy koncern paliwowy świata – Saudi Aramco. Uzyskuje on wodór z produktów pochodnych ropy naftowej, następnie przerabia go na amoniak, który jest traktowany jako magazyn wodoru. Amoniak jest łatwiejszy i bezpieczniejszy w transporcie, a jeśli użyjemy go do opalania w elektrowni, produktem ubocznym będą azot i woda.
Dalej poszli naukowcy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, opracowując metodę produkcji energii elektrycznej w ogniwie paliwowym, w której amoniak i ruten (metal szlachetny) reagują na powierzchni elektrody, wytwarzając czystą energię. Badacze sądzą, że w przyszłości może to doprowadzić do wyeliminowania węgla jako paliwa.
Saudyjska spółka ACWA Power International zawarła umowę z amerykańską firmą Air Products & Chemicals, na mocy której ma powstać fabryka amoniaku zasilana energią odnawialną. Wartość inwestycji – 5 mld dol.
Rozwijane są też technologie produkcji np. paliwa lotniczego z dwutlenku węgla. W październiku 2021 r. amerykańska spółka Twelve wyprodukowała pierwsze paliwo lotnicze bez obecności paliw kopalnych. Nazwano je E-Jet. Jej inżynierowie zbudowali elektrolizer dwutlenku węgla z membraną polimerowo-elektrolitową wykorzystującą katalizatory rozkładające dwutlenek węgla przy użyciu wody i odnawialnej energii elektrycznej. Produktem był sygnaz (gaz syntezowy składający się z tlenku węgla oraz wodoru), który następnie przekształcano w paliwo lotnicze.
Od lat w Unii Europejskiej rozwijane są technologie wytwarzania energii z wodoru. Czy to w ogniwach paliwowych, czy w silnikach spalinowych, w których zamiast benzyny stosowany jest wodór. Przodują w tym Niemcy, którzy od lat inwestowali w przyjazne środowisku technologie. Lecz o powodzeniu bądź niepowodzeniu nowych rozwiązań, które mogłyby się stać alternatywą dla tradycyjnych paliw kopalnych, decydować będzie ich koszt.
Zilustrujmy to przykładem. Rosyjskie przedsiębiorstwa wydobywające wysokiej jakości węgiel kamienny na Syberii metodą odkrywkową pozyskują tonę tego surowca za 5-7 dol. W Polsce koszt wydobycia tony węgla oscyluje wokół 50 dol.
Dlatego rosyjskie firmy łatwo mogą sprzedawać swój produkt, bo oferowana przez nie cena zawsze będzie niższa. Ta sama zasada dotyczy rynku gazu ziemnego i ropy naftowej. Dziś rekordowo wysokie ceny surowców energetycznych wręcz zmuszają do poszukiwań alternatywnych rozwiązań.
Kraje zachodnie w związku z wojną w Ukrainie deklarują odejście od rosyjskich surowców w ciągu trzech-czterech lat. Bardziej realny wydaje się rok 2030. I to przy założeniu, że uda się opracować względnie tanie technologie produkcji energii elektrycznej i zastąpić ropę naftową, gaz ziemny oraz węgiel kamienny w przemyśle chemicznym.
Podobnie rzecz się ma z palladem, platyną i innymi metalami, których dostawcą jest lub w przyszłości będzie Rosja. Oznacza to gigantyczny wysiłek finansowy i intelektualny. Możemy jedynie mieć nadzieję, że jako część zjednoczonej Europy mu sprostamy.
m.czarkowski@tygodnikprzeglad.pl
Fot. Shutterstock
Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy