USA:s strävan att bygga upp en inhemsk försörjning av ren energi börjar ofta med kritiska material som produceras i avlägsna och geopolitiskt känsliga länder. Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory bidrog nyligen till en serie rapporter som syftade till att säkra USA:s rena energiförsörjningskedja och minimera potentiella störningar.

DOE-rapporterna fördjupar sig i 12 områden där USA behöver säkerställa tillgången på material för rena energikällor som vindkraftverk, bränsleceller och solpaneler. Vissa av dessa material är sällsynta jordartsmetaller som används i magneter som driver till exempel vindkraftverk eller ädelmetaller som används i batterier för elfordon och ellagring på nätet.

USA behöver ett konsekvent och prisvärt utbud av dessa material för att dekarbonatisera sin ekonomi till 2050. Dekarbonisering, som inkluderar att nollställa användningen av fossila bränslen, är nödvändig inte bara för att undvika de värsta effekterna av klimatförändringarna utan också för att stärka landets energisäkerhet .

Experter från Argonne, andra federala myndigheter, DOE nationella laboratorier, universitet och den privata sektorn samarbetade för djupdykningsrapporter för leveranskedjan, som togs fram som svar på 2021 års Executive Order on America's Supply Chains. DOE utnyttjade Argonne för sin expertis inom analys av sällsynta jordartsmetaller, batteriteknik, väteenergi och andra relevanta områden.

"Vi behöver en väldiversifierad och säker försörjning av kritiska material för att uppfylla våra avkolningsmål", säger Braeton Smith, en huvudenergiekonom på Argonne som ledde labbets tvärgående forskningsbidrag. "Det kräver att vi ser över hela den industriella energibasen för att identifiera potentiella brister eller störningar."

I synnerhet ledde Argonne-forskare undersökningen och skrev för två av rapporterna i försörjningskedjan, "Rare Earth Permanent Magnets" och "Platinum Group Metal Catalysts", och tekniska bidrag till rapporten "Competitiveness and Commercialization of Energy Technologies." De gav också synpunkter på flera andra rapporter i serien.

Kina dominerar den globala försörjningskedjan för sällsynta jordartsmetaller och magneter och kontrollerar 92 % av magnettillverkningen 2020. Magneter för sällsynta jordartsmetaller hjälper till att driva vindkraftsgeneratorer, särskilt för offshore-turbiner, och de används i dragmotorer för elfordon. Efterfrågan på magneter för sällsynta jordartsmetaller förväntas bara växa i takt med att USA fortsätter att expandera ren energi.

Forskare vid Argonne har i tidigare forskning funnit att avbrott i utbudet av sällsynta jordartsmetaller kan ha effekter som varar långt bortom en kortvarig händelse, vilket skapar prisökningar som varierar beroende på det specifika materialet. De upptäckte dessa mönster med hjälp av modellen Global Critical Materials (GCMat), som kan användas för att simulera framtida marknadsutveckling och förutse risker. GCMat förlitar sig på en simuleringsmetod som kallas agentbaserad modellering, där "agenterna" representerar producenter, konsumenter och andra aktörer på en marknad som fattar beslut.

"Ett antal ansträngningar för att lägga till magnettillverkning och bearbetning av sällsynta jordartsmetaller pågår, både inhemskt och globalt", säger Matthew Riddle, biträdande energiforskare vid Argonne. "I rapporterna lyfte vi fram en mängd olika ansträngningar för att förbättra motståndskraften i leveranskedjan."

Platinagruppmetaller, för vilka USA är starkt beroende av import, är katalysatorer som får kemiska reaktioner att ske mer effektivt. Både platina och iridium är viktiga för att producera "grönt väte" för bränsleceller genom att härleda vätgas från vatten istället för naturgas. Iridium är en av de sällsynta av dessa metaller och produceras inte i USA

"Problemet är inte nödvändigtvis fokuserat bara på att bryta råmaterial," sa Smith. "USA saknar också mellanproduktion, där vi kan separera och förfina några av dessa viktiga material när de är utvunna."

DOE-rapporterna fångar det aktuella leverantörskedjelandskapet i detalj och identifierar nyckelrisker och möjligheter. Ett annat hinder är begränsad data över hela försörjningskedjan.

"En av utmaningarna med att analysera kritiska materialförsörjningskedjor är bristen på allmänt tillgänglig data, särskilt om processsteg som sker efter att gruvdrift inträffar", säger Diane Graziano, en kemiingenjör i Argonne.

Platinagruppens metallrapport rekommenderade att USA sammanställer detaljerad information om leverantörer och tillverkare, vilket kan hjälpa till att prioritera katalysatorinvesteringar.

Förutom att öka inhemsk raffinering och tillverkning av kritiska material, är andra potentiella sätt att stärka leveranskedjan att hitta billigare och rikligare ersättningsmaterial och öka möjligheten att återvinna och återvinna material från uttjänta batterier och andra källor.

Konkurrenskrafts- och kommersialiseringsrapporten tittar på strategier för att föra ut innovativ teknik på marknaden och förbättra USA:s konkurrenskraft inom industrin för ren energi. För detta ändamål presenterar den ett ramverk för ekonomisk analys i sex steg som inkluderar efterfrågeprognoser, policyanalys och scenarioanalys.

"Det är inte en perfekt kristallkula. Men att genomföra den här ekonomiska analysen av försörjningskedjan, från gruvdrift till återvinning, hjälper oss att förstå potentiella källor till konkurrensfördelar för USA och hur man kan upprätthålla dem", säger Allison Bennett Irion, systemingenjör och chef för supply chain research på Argonne.

Argonne-experter som arbetat med DOE-rapporterna som författare och bidragsgivare, förutom Smith, Graziano, Riddle och Bennett Irion, är Matthew Earlam, Chukwunwike Iloeje, Autumn Kaiser, Iain Hyde, Di-Jia Liu och Pingping Sun. + Utforska vidare

Sällsynta jordfelsavbrott har långväga effekter, visar datormodellen