Các báo cáo mới làm sáng tỏ những thách thức và cơ hội của chuỗi cung ứng năng lượng sạch
bởi Christina Nunez, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne
Hoa Kỳ cần một nguồn cung cấp nguyên liệu quan trọng ổn định như bạch kim cho các công nghệ năng lượng tái tạo. Một loạt các báo cáo từ Bộ Năng lượng cung cấp cái nhìn sâu sắc về chuỗi cung ứng cho những vật liệu này. Ảnh: Hạt giống ánh nắng / Shutterstock
Nỗ lực của Hoa Kỳ nhằm xây dựng nguồn cung cấp năng lượng sạch trong nước thường bắt đầu từ những nguyên liệu quan trọng được sản xuất ở các quốc gia xa xôi - và nhạy cảm về địa chính trị -. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) gần đây đã đóng góp vào một loạt báo cáo nhằm đảm bảo chuỗi cung ứng năng lượng sạch của Hoa Kỳ và giảm thiểu sự gián đoạn tiềm ẩn.
Báo cáo của DOE nghiên cứu sâu hơn 12 lĩnh vực mà Hoa Kỳ cần đảm bảo sự sẵn có của vật liệu cho các nguồn năng lượng sạch như tuabin gió, pin nhiên liệu và tấm pin mặt trời. Ví dụ, một số vật liệu này là khoáng chất đất hiếm được sử dụng trong nam châm dẫn động tuabin gió, hoặc kim loại quý được sử dụng trong pin cho xe điện và lưu trữ điện trên lưới điện.
Hoa Kỳ cần một nguồn cung cấp nhất quán và giá cả phải chăng của những nguyên liệu này để khử cacbon trong nền kinh tế của mình vào năm 2050. Khử cacbon, bao gồm việc loại bỏ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, là cần thiết không chỉ để tránh những tác động tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu mà còn để tăng cường an ninh năng lượng của quốc gia .
Các chuyên gia từ Argonne, các cơ quan liên bang khác, phòng thí nghiệm quốc gia DOE, các trường đại học và khu vực tư nhân đã hợp tác trong các báo cáo đánh giá chuyên sâu về chuỗi cung ứng, được đưa ra để đáp ứng Lệnh hành pháp năm 2021 về Chuỗi cung ứng của Hoa Kỳ. DOE khai thác Argonne vì chuyên môn của mình trong phân tích chuỗi cung ứng đất hiếm, công nghệ pin, năng lượng hydro và các lĩnh vực thích hợp khác.
Braeton Smith, nhà kinh tế năng lượng chính tại Argonne, người đứng đầu các đóng góp nghiên cứu xuyên suốt của phòng thí nghiệm, cho biết: “Chúng tôi cần một nguồn cung cấp vật liệu quan trọng đa dạng và an toàn để đáp ứng các mục tiêu khử cacbon của chúng tôi. "Điều đó đòi hỏi chúng tôi phải xem xét toàn bộ cơ sở công nghiệp năng lượng để xác định tình trạng thiếu hụt hoặc gián đoạn tiềm năng."
Đặc biệt, các nhà nghiên cứu của Argonne đã dẫn đầu cuộc điều tra và viết cho hai trong số các báo cáo chuỗi cung ứng, "Nam châm vĩnh cửu Trái đất hiếm" và "Chất xúc tác kim loại của Tập đoàn Bạch kim," và đóng góp kỹ thuật cho báo cáo "Tính cạnh tranh và thương mại hóa của công nghệ năng lượng." Họ cũng cung cấp đầu vào cho một số báo cáo khác trong loạt bài này.
Trung Quốc thống trị chuỗi cung ứng toàn cầu về kim loại đất hiếm và nam châm, kiểm soát 92% sản lượng nam châm vào năm 2020. Nam châm đất hiếm giúp cung cấp năng lượng cho các máy phát tuabin gió, đặc biệt là cho các tuabin ngoài khơi, và chúng được đưa vào động cơ kéo cho xe điện. Nhu cầu về nam châm đất hiếm dự kiến sẽ tăng lên khi Hoa Kỳ tiếp tục mở rộng năng lượng sạch.
Các nhà khoa học tại Argonne đã phát hiện ra trong nghiên cứu trước đây rằng sự gián đoạn nguồn cung đất hiếm có thể gây ra những tác động kéo dài ngoài một sự kiện ngắn hạn, tạo ra sự tăng giá khác nhau tùy thuộc vào từng loại vật liệu cụ thể. Họ đã phát hiện ra những mô hình này bằng cách sử dụng mô hình Vật liệu quan trọng toàn cầu (GCMat), có thể được sử dụng để mô phỏng sự phát triển của thị trường trong tương lai và dự đoán rủi ro. GCMat dựa trên một phương pháp mô phỏng được gọi là mô hình dựa trên tác nhân, trong đó các "đại lý" đại diện cho nhà sản xuất, người tiêu dùng và những người chơi khác trong thị trường đang đưa ra quyết định.
Matthew Riddle, trợ lý nhà khoa học năng lượng tại Argonne cho biết: “Một số nỗ lực nhằm tăng cường khả năng sản xuất nam châm và xử lý vật liệu đất hiếm đang được tiến hành, cả trong nước và toàn cầu”. "Trong các báo cáo, chúng tôi đã nhấn mạnh nhiều nỗ lực này nhằm cải thiện khả năng phục hồi của chuỗi cung ứng."
Các kim loại nhóm bạch kim, mà Hoa Kỳ phụ thuộc nhiều vào nhập khẩu, là tác nhân xúc tác làm cho các phản ứng hóa học xảy ra hiệu quả hơn. Cả platin và iridi đều quan trọng để sản xuất "hydro xanh" cho pin nhiên liệu bằng cách lấy hydro từ nước thay vì khí tự nhiên. Iridi là một trong những kim loại hiếm nhất và không được sản xuất ở Hoa Kỳ.
Smith nói: “Vấn đề không nhất thiết chỉ tập trung vào khai thác nguyên liệu thô. "Hoa Kỳ cũng thiếu sản xuất giữa dòng, nơi chúng tôi có thể tách ra và tinh chế một số nguyên liệu quan trọng này sau khi chúng được khai thác."
Các báo cáo của DOE nắm bắt chi tiết bối cảnh chuỗi cung ứng hiện tại, xác định các rủi ro và cơ hội chính. Một trở ngại khác là dữ liệu hạn chế trên toàn bộ chuỗi cung ứng.
Diane Graziano, một kỹ sư hóa học của Argonne cho biết: “Một trong những thách thức đối với việc phân tích các chuỗi cung ứng nguyên liệu quan trọng là thiếu dữ liệu công khai, đặc biệt là về các bước quy trình xảy ra sau khi khai thác mỏ”.
Báo cáo kim loại nhóm bạch kim khuyến nghị Hoa Kỳ nên tổng hợp thông tin chi tiết về các nhà cung cấp và nhà sản xuất, điều này có thể giúp ưu tiên đầu tư chất xúc tác.
Ngoài việc thúc đẩy tinh chế và sản xuất trong nước cho các nguyên liệu quan trọng, các cách tiềm năng khác để tăng cường nguồn cung chuỗi bao gồm việc tìm kiếm vật liệu thay thế rẻ hơn và phong phú hơn và tăng khả năng thu hồi và tái chế vật liệu từ pin hết tuổi thọ và các nguồn khác.
Báo cáo năng lực cạnh tranh và thương mại hóa xem xét các chiến lược đưa các công nghệ tiên tiến ra thị trường và nâng cao khả năng cạnh tranh của Hoa Kỳ trong ngành năng lượng sạch. Cuối cùng, nó trình bày một khung phân tích kinh tế sáu bước bao gồm dự báo nhu cầu, phân tích chính sách và phân tích kịch bản.
Allison Bennett cho biết: "Đó không phải là một quả cầu pha lê hoàn hảo. Nhưng việc thực hiện phân tích kinh tế đầu cuối này của chuỗi cung ứng, từ khai thác đến tái chế, giúp chúng tôi hiểu được các nguồn lợi thế cạnh tranh tiềm năng của Hoa Kỳ và cách duy trì chúng". Irion, kỹ sư hệ thống và giám đốc nghiên cứu chuỗi cung ứng tại Argonne.
Các chuyên gia Argonne đã làm việc trên báo cáo DOE với tư cách là tác giả và người đóng góp, ngoài Smith, Graziano, Riddle và Bennett Irion, còn có Matthew Earlam, Chukwunwike Iloeje, Autumn Kaiser, Iain Hyde, Di-Jia Liu và Pingping Sun.
