Του Δρ. Στ. Ταμπούρη
Το νικέλιο με τις μοναδικές ιδιότητές του είναι ένα στρατηγικό μέταλλο για πολλές σύγχρονες βιομηχανικές διεργασίες. Η κυριότερη εφαρμογή όπου χρησιμοποιείται το νικέλιο είναι η παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα και αντιστοιχεί στο 65% της παγκόσμιας κατανάλωσης με βάση στοιχεία του 2023. Την τελευταία πενταετία, παρατηρείται ιδιαίτερη άνοδος στην παραγωγή ηλεκτρικών οχημάτων η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε αύξηση της ζήτησης για μπαταρίες ιόντων λιθίου, γεγονός που με τη σειρά του ενισχύει την ανάγκη για νικέλιο (500.000 tn/έτος). Αυτός ο ταχέως μεταβαλλόμενος τομέας της αυτοκινητοβιομηχανίας ευνοεί όλο και περισσότερο τεχνολογίες με υψηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο, όπως οι μπαταρίες νικελίου- κοβαλτίου-αλουμινίου (NCA) και νικελίου-κοβαλτίου-μαγγανίου (NCM) που παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες όπως υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και αυξημένη χωρητικότητα αποθήκευσης. Αξίζει να αναφερθεί ότι τα τελευταία δύο έτη παρατηρείται μία στροφή των κατασκευαστών αυτοκινήτων πόλης σε οικονομικού τύπου μπαταρίες (LFP – Lithium Iron Phosphate). Σύμφωνα με τα ανωτέρω και τις ακόλουθες εκθέσεις του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας,
- “The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions” (2021, 2023)
- “Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector”
οι τελικές προβλέψεις του οργανισμού για τη ζήτηση νικελίου και κοβαλτίου έως το
2050 αναφέρουν ότι:
- Η ζήτηση για νικέλιο για την κατασκευή μπαταριών θα τετραπλασιαστεί ή και πενταπλασιαστεί έως το 2050 σε σενάρια που ευθυγραμμίζονται με τους στόχους του Παρισιού (Net Zero Emissions by 2050). Η παγκόσμια παραγωγή θα χρειαστεί να αυξηθεί δραματικά, με εκτιμήσεις να φτάνουν σε καταναλώσεις πάνω από 6 εκατ. τόνους ετησίως (σήμερα ~3,6 εκατ. τόνους).
- Η αντίστοιχη ζήτηση για το κοβάλτιο στις μπαταρίες αναμένεται να διπλασιαστεί ή τριπλασιαστεί έως το 2050, ανάλογα με την ταχύτητα της μετάβασης σε μπαταρίες υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε, η ανάπτυξη μπαταριών χωρίς κοβάλτιο (π.χ. LFP) μπορεί να περιορίσει την αύξηση. Σε σενάρια υψηλής ζήτησης, η ετήσια κατανάλωση μπορεί να φτάσει 500.000 τόνους (σήμερα ~200.000 τόνους).
Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τη ζήτηση σε νικέλιο και κοβάλτιο είναι η αύξηση παραγωγής των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, η ανάπτυξη συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας (μπαταρίες), οι τεχνολογικές εξελίξεις (π.χ. μπαταρίες με λιγότερο κοβάλτιο) και οι πολιτικές των κυβερνήσεων για την πράσινη μετάβαση.
Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή λαμβάνοντας υπόψιν και τις ανωτέρω προβλέψεις δημοσίευσε στις 16 Μαρτίου 2023 νομοθετική πράξη για τις πρώτες ύλες κρίσιμης σημασίας, η οποία έχει σχεδιαστεί για να εγγυάται ασφαλείς και βιώσιμες αλυσίδες εφοδιασμού για το πράσινο και ψηφιακό μέλλον της ΕΕ. Η νομοθετική πράξη της ΕΕ (CRM) θέτει «σαφή κριτήρια αναφοράς για την παραγωγή των κρίσιμων πρώτων υλών έως το 2030», συγκεκριμένα αναφέρει ότι:
- τουλάχιστον το 10% της ετήσιας κατανάλωσης της ΕΕ του κάθε μετάλλου της λίστας CRM θα πρέπει να εξορύσσεται εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης,
- η επεξεργασία του κάθε μετάλλου της λίστας CRM θα πρέπει να αντιστοιχεί τουλάχιστον στο 40% της ετήσιας κατανάλωσης της ΕΕ,
- τουλάχιστον το 15% της ετήσιας κατανάλωσης της ΕΕ θα πρέπει να προκύπτει από ανακύκλωση και τέλος
- δε μπορεί να εισάγεται περισσότερο από το 65% της ετήσιας κατανάλωσης κάθε στρατηγικής πρώτης ύλης της ΕΕ σε οποιοδήποτε σχετικό στάδιο επεξεργασίας από μία μόνο τρίτη χώρα».
Σε παγκόσμιο επίπεδο, τα συνολικά παγκόσμια αποθέματα νικελίου έχουν εκτιμηθεί ότι περιέχουν περισσότερους από 350 εκατομμύρια τόνους νικελίου, εκ των οποίων το 54% βρίσκεται σε λατερίτες και το 35% σε θειούχα κοιτάσματα. Στα μεταλλεύματα που περιέχουν νικέλιο, το κοβάλτιο είναι το κύριο συνοδό μέταλλο του νικελίου. Η περιεκτικότητα του κοβαλτίου είναι σχετικά χαμηλή, ωστόσο λόγω της υψηλής ζήτησης κοβαλτίου επί του παρόντος, αποτελεί επίσης ένα πολλά υποσχόμενο μέταλλο για ανάκτηση.
Οι τελευταίες δεκαετίες χαρακτηρίζονται από μια αξιοσημείωτη στροφή προς την αυξανόμενη χρήση των λατεριτικών μεταλλευμάτων για την παραγωγή νικελίου σε σχέση με το παρελθόν όπου κυρίως χρησιμοποιούνταν θειούχα μεταλλεύματα. Τα κοιτάσματα λατερίτη είναι ευρέως διαδεδομένα σε τροπικές περιοχές του κόσμου, όπως: Καληδονία, Αυστραλία, Κούβα, Βραζιλία, Κολομβία, Φιλιππίνες, Ινδονησία και Ινδία. Με βάση τα σημερινά δεδομένα, η Ινδονησία, με αρκετά μεγάλα λατεριτικά αποθέματα, είναι ο κύριος παραγωγός νικελίου στον κόσμο, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 48% της παγκόσμιας παραγωγής νικελίου.
Τα λατεριτικά μεταλλεύματα υψηλότερης ποιότητας υποβάλλονται σε βιομηχανική επεξεργασία χρησιμοποιώντας πυρομεταλλουργικές και υδρομεταλλουργικές μεθόδους. Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από τη χημική σύσταση του μεταλλεύματος ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη απόδοση σε σχέση με το κόστος παραγωγής.
Οι πυρομεταλλουργικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία μεταλλευμάτων με περιεκτικότητα σε νικέλιο άνω του 1,5%. Σε αυτή την περίπτωση τα μεταλλεύματα υποβάλλονται σε επεξεργασία μέσω ενεργοβόρων διεργασιών, όπως η ξήρανση, η πύρωση, η φρύξη και η τήξη. Η πυρομεταλλουργική μέθοδος συναντάται συνήθως σε διάταξη περιστροφικού κλιβάνου και κλιβάνου-ηλεκτρικού τόξου (RKEF), χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή σιδηρονικελίου ή χυτοσιδήρου νικελίου που είναι η πρώτη ύλη για την παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα. Ωστόσο, αυτή η διεργασία συνεπάγεται υψηλό ενεργειακό κόστος, παράγει μεγάλες ποσότητες στερεών αποβλήτων και έχει πιθανές περιβαλλοντικές επιπτώσεις λόγω εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Επιπλέον, η μέθοδος RKEF δεν είναι επιτυχής στην ανάκτηση κοβαλτίου ως ξεχωριστού προϊόντος και είναι οικονομικά ευάλωτη στη μείωση της περιεκτικότητας του μεταλλεύματος σε νικέλιο.
Στην περίπτωση των υδρομεταλλουργικών μεθόδων, χρησιμοποιούνται ανόργανα οξέα, ανόργανοι και οργανικοί διαλύτες ή συνδυασμοί τους για την επεξεργασία μεταλλευμάτων προς εκχύλιση των μετάλλων. Βασικά, η υδρομεταλλουργική επεξεργασία χρησιμοποιείται για μεταλλεύματα με χαμηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο και είναι δυνατή η ανάκτηση του κοβαλτίου. Η βασικότερη υδρομεταλλουργική μέθοδος που εφαρμόζεται αυτήν τη στιγμή είναι η όξινη εκχύλιση υπό υψηλή πίεση με τη χρήση θειικού οξέος (HPAL), ενώ υπό συγκεκριμένες συνθήκες εφαρμόζεται και η εκχύλιση σε σωρούς (Heap Leaching).
Στην Ευρωπαϊκή Ένωση, η μόνη χώρα που διαθέτει τέτοιου είδους μεταλλεύματα είναι η Ελλάδα η οποία βέβαια για το μέγεθός της έχει σημαντικά λατεριτικά αποθέματα που με τον κατάλληλο σχεδιασμό και την κατάλληλη εκμετάλλευση θα μπορούσαν να παίξουν σημαντικό ρόλο στην προσπάθεια απεξάρτησης της Ευρώπης από την Κίνα και να ενσωματωθεί η παραγωγή Νικελίου στην Ελλάδα υπό προϋποθέσεις στο Critical Raw Materials Act της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Για την επίτευξη του ανωτέρω στόχου, κρίνεται απαραίτητη η εφαρμογή υδρομεταλλουργικών μεθόδων επεξεργασίας στα ελληνικά μεταλλεύματα λατερίτη, ώστε να είναι εφικτή η ανάκτηση του νικελίου και του κοβαλτίου και να καταστεί η συνολική διεργασία οικονομικά ανταγωνιστική. Ο βασικότερος λόγος που απαιτείται η αλλαγή μεθόδου επεξεργασίας των ελληνικών λατεριτών είναι η μείωση της περιεκτικότητάς τους σε Νικέλιο, καθώς μετά από 55 χρόνια εκμετάλλευσης για την παραγωγή σιδηρονικελίου έχουν καταναλωθεί 95.000.000 tn λατερίτη στην πυρομεταλλουργική μονάδα της ΛΑΡΚΟ που αντιστοιχούν σε παραγωγή 765.000 tn Νικελίου. Στην περίπτωση των ελληνικών λατεριτών έχει πραγματοποιηθεί πολύχρονη έρευνα για την ανάκτηση του νικελίου με υδρομεταλλουργικές μεθόδους χωρίς ωστόσο να έχει εφαρμοσθεί σε βιομηχανική κλίμακα στην Ελλάδα. Βέβαια, θα πρέπει να επανεξετασθεί η δυνατότητα εφαρμογής των μεθόδων αυτών με βάση τα νέα δεδομένα και να επιλεχθεί η καλύτερη μέθοδος.
Αξίζει να αναφερθεί ωστόσο, ότι ακόμη και υπό τις σημερινές συνθήκες οι ελληνικοί λατερίτες θα μπορούσαν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την παραγωγή νικελίου και κοβαλτίου για μπαταρίες, αφού με την ετήσια επεξεργασία 2.300.000 tn λατερίτη, η οποία ήταν μία συνήθης παραγόμενη ποσότητα των μεταλλείων κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μεταλλουργικής μονάδας παραγωγής σιδηρονικελίου της ΛΑΡΚΟ στη Λάρυμνα, μπορούν να παραχθούν με υδρομεταλλουργικές μεθόδους περίπου 17.000 tn νικέλιο για μπαταρίες και 1.500 tn κοβαλτίου. Οι ποσότητες αυτές αντιστοιχούν στο 10% των απαιτήσεων της Ευρωπαϊκής Ένωσης και ικανοποιούν το πρώτο κριτήριο της νομοθετικής πράξης της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τις κρίσιμες πρώτες ύλες.
Οι υδρομεταλλουργικές μέθοδοι που έχουν αναπτυχθεί και εφαρμόζονται είτε εξετάζονται για εφαρμογή στη βιομηχανία για την ανάκτηση νικελίου από λατερίτες είναι οι ακόλουθες:
- διαδικασία Caron,
- όξινη εκχύλιση υψηλής πίεσης (HPAL),
- όξινη εκχύλιση σε σωρούς (HL)
- όξινη εκχύλιση σε αντιδραστήρες (AAL) με θειικό οξύ,
- βιο-εκχύλιση και
- όξινη εκχύλιση σε αντιδραστήρες με υδροχλώριο ή άλλα οξέα.
Μεταξύ των υδρομεταλλουργικών διεργασιών για την επεξεργασία λατερίτη, η διαδικασία της όξινης εκχύλισης, είτε υπό υψηλή πίεση HPAL (Εικόνα 2), είτε σε σωρούς, είναι η πιο αποτελεσματική, προσφέρει μια λιγότερο ενεργοβόρο μέθοδο για την ανάκτηση νικελίου και κοβαλτίου σε σχέση με τη μέθοδο Caron που εφαρμόζεται από τη δεκαετία του ΄70 και έχει πολύ μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις από τις πυρομεταλλουργικές διεργασίες.
H μέθοδος της όξινης εκχύλισης με Θειικό οξύ (H2SO4) χρησιμοποιείται πλέον με επιτυχία σε πολλές περιοχές του πλανήτη. Με τη μέθοδο αυτή είναι εφικτή η παραγωγή νικελίου και κοβαλτίου που είναι βασικό συστατικό, ενώ αξίζει να μελετηθεί η δυνατότητα ανάκτησης του τρίτου συστατικού των μπαταριών του μαγγανίου που περιέχεται στους ελληνικούς λατερίτες. Βέβαια ανάλογα με τη μέθοδο που θα επιλεγεί ενδέχεται να απαιτηθούν υψηλές επενδύσεις κεφαλαίου και σχετικά υψηλό λειτουργικό κόστος.
Τα τελευταία 20 χρόνια η εφαρμογή υδρομεταλλουργικών μεθόδων για την παραγωγή θειικού νικελίου που χρησιμοποιείται στις μπαταρίες είτε ενδιάμεσων προϊόντων όπως το μικτό ίζημα υδροξειδίου (MHP) και το μικτό ίζημα θειούχων μετάλλων (MSP) έχει εκτιναχθεί και νέες μονάδες σε όλο τον κόσμο θέτονται σε λειτουργία. Μεταξύ αυτών των ενδιάμεσων προϊόντων, η MHP χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για την παραγωγή θειικού νικελίου ποιότητας μπαταρίας, κυρίως μέσω τεχνολογιών όξινης εκχύλισης υψηλής πίεσης.
Σύμφωνα με την ανωτέρω ανάλυση είναι κατανοητή η διαρκής έρευνα για τη βελτίωση ή και ανάπτυξη των μεθόδων είτε εκχύλισης, είτε επεξεργασίας του διαλύματος. Και αυτό διότι σημαντικό παράγοντα στην επιλογή της υδρομεταλλουργικής διεργασίας έχουν τα ορυκτολογικά χαρακτηριστικά κάθε κοιτάσματος και τύπου μεταλλεύματος καθώς επηρεάζουν άμεσα την απόδοση επεξεργασίας και τις ενεργειακές απαιτήσεις αυτής.
